Manual CFE Geotecnia.pdf

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES

CAPÍTULO B.2.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELO

Efraín Ovando Shelley* María del Carmen Cabrera Velásquez** María Guadalupe Olín Montiel** Natalia del Pilar Parra Piedrahita**

Marzo de 2008

Elaborado por: Instituto de Ingeniería, UNAM Proyecto 7541

*Investigador, Instituto de Ingeniería, UNAM *Estudiante de posgrado, Instituto de Ingeniería, UNAM

Nota aclaratoria Este capítulo se divide en dos partes. La primera se refiere a la Identificación de suelos en el campo y la segunda, a la Exploración y muestreo de suelos. El primer tema se desarrolló con base en comentarios elaborados en torno a la aplicación del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) a situaciones de campo. A esos comentarios se agregaron otros para la identificación de campo de suelos con problemas especiales, no incluidos explícitamente en el S.U.C.S. El material que aquí se presenta se concentra en un solo documento mientras que en los anteriores manuales apareció publicado, por separado, en diferentes secciones o incluso en tres fascículos diferentes.  

SECCIÓN B GEOTECNIA

TEMA

2

CAPÍTULO 1

MECÁNICA DE SUELOS

CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS

CONTENIDO 1 

CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS .......................................... 1 

1.1  IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN CAMPO. .................................................... 1  1.1.1  Identificación en campo según el S.U.C.S. ...................................................... 1  1.1.1.1 

Clasificación de suelos gruesos ............................................................... 2 

1.1.1.2 

Clasificación de suelos finos ................................................................... 11 

1.1.1.3 

Identificación de suelos de grano fino orgánicos. .................................. 16 

1.1.1.4 

Clasificación Geológica de los depósitos de suelo. ............................... 16 

1.1.2 

Identificación en campo de suelos con problemas especiales ........................ 18 

1.1.2.1 

Suelos orgánicos ..................................................................................... 18 

1.1.2.2 

Suelos expansivos .................................................................................. 24 

1.1.2.3 

Suelos residuales .................................................................................... 28 

1.1.2.4 

Suelos dispersivos .................................................................................. 30 

1.1.2.5 

Suelos colapsables ................................................................................. 31 

1.2  EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS .................................................. 33  1.2.1  Programa de exploración geotécnica .............................................................. 33  1.2.1.1 

Estudios preliminares .............................................................................. 33 

1.2.1.1.1  Recopilación de la Información ........................................................... 34  1.2.1.2 

Reconocimiento de campo. .................................................................... 36 

1.2.1.3 

Estudios de detalle .................................................................................. 37 

1.2.2  1.2.3 

Supervisión de los trabajos de exploración. ................................................... 38  Técnicas de Perforación.................................................................................. 39 

1.2.3.1 

Pozos a cielo abierto, cortes y zanjas. ................................................... 39 

1.2.3.1.1  Equipo .................................................................................................. 42  1.2.3.1.2  Operación ............................................................................................. 43  1.2.3.2 

Perforación por lavado ............................................................................ 43 

1.2.3.2.1  Equipo. ................................................................................................. 43  1.2.3.2.2  Operación ............................................................................................. 44  1.2.3.3 

Perforación a rotación con agua o lodo .................................................. 46 

1.2.3.3.1  Equipo .................................................................................................. 48  1.2.3.3.2  Operación ............................................................................................. 49  1.2.3.4 

Perforación en seco con barras .............................................................. 49 

1.2.3.4.1  Equipo .................................................................................................. 50 

1.2.3.4.2  Operación ............................................................................................. 51  1.2.3.5 

1.2.4 

Perforación mixta .................................................................................... 52 

Equipo de perforación .................................................................................... 52 

1.2.4.1 

Máquinas perforadoras ........................................................................... 52 

1.2.4.1.1  Máquinas de perforadora rotatoria ...................................................... 54  1.2.4.1.2  Máquinas de perforadora de percusión............................................... 54  1.2.4.2 

Bombas de perforación ........................................................................... 56 

1.2.4.3 

Barras y Ademes de perforación ............................................................ 56 

1.2.4.4 

Brocas de perforación ............................................................................. 58 

1.2.4.4.1  Broca tríconica ..................................................................................... 59  1.2.4.4.2  Broca Drag ........................................................................................... 59  1.2.4.4.3  Broca de aletas .................................................................................... 60  1.2.4.4.4  Broca de cola e pescado ..................................................................... 60  1.2.4.5 

Lodos de perforación .............................................................................. 61 

1.2.4.5.1  Lodos de perforación de agua dulce ................................................... 61 

1.2.5 

Técnicas de exploración ................................................................................. 66 

1.2.5.1 

Métodos Indirectos .................................................................................. 66 

1.2.5.1.1  Exploración geofísica ........................................................................... 66  1.2.5.2 

Métodos directos ..................................................................................... 68 

1.2.5.2.1  Exploración y muestreo ....................................................................... 68  1.2.5.2.2  Tipos de sondeos................................................................................. 68  1.2.5.3  Determinación del tipo, número, espaciamiento, la localización y profundidad del sondeo ............................................................................................. 72  1.2.5.3.1  Número y espaciamiento de sondeos. ................................................ 73  1.2.5.3.2  Determinación de la profundidad del sondeo...................................... 78 

1.2.6 

Tipo de Muestras y Procedimientos de Muestreo ......................................... 81 

1.2.6.1 

Tipos de Muestras ................................................................................... 81 

1.2.6.1.1  Muestras alteradas .............................................................................. 82  1.2.6.1.2  Muestras Inalteradas ........................................................................... 82  1.2.6.2 

Calidad de las Muestras ......................................................................... 82 

1.2.6.2.1  Muestras alteradas .............................................................................. 82  1.2.6.2.2  Muestras Inalteradas ........................................................................... 83  1.2.6.3 

Muestreo Alterado ................................................................................... 86 

1.2.6.3.1  Método Manual .................................................................................... 86  1.2.6.3.2  Muestreadores hincados a presión ..................................................... 89 

1.2.6.4 

Muestreo inalterado ................................................................................ 92 

1.2.6.4.1  Método Manual .................................................................................... 92  1.2.6.4.2  Muestreadores hincados a presión ..................................................... 94  1.2.6.4.3  Muestreador de pistón ......................................................................... 98  1.2.6.4.3.1  Muestreadores Sueco y tipo Delft............................................... 108  1.2.6.4.4  Muestreador de Tubo Rotatorio Dentado .......................................... 113  1.2.6.4.5  Muestreadores de doble barril ........................................................... 117  1.2.6.4.6  Método de muestreo por congelación ............................................... 126  1.2.6.4.7  Criterios de selección de muestreadores .......................................... 129 

1.2.7 

1.3 

Manejo de muestras ...................................................................................... 130 

1.2.7.1 

Muestras alteradas ................................................................................ 130 

1.2.7.2 

Muestras cúbicas inalteradas ............................................................... 131 

1.2.7.3 

Muestras inalteradas contenidas en tubos ........................................... 131 

1.2.7.4 

Recomendaciones para el embalaje de las muestras (ASTM D 4220-00) 134 

REFERENCIAS................................................................................................... 144 

1 CARACTERIZACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE SUELOS 1.1 IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EN CAMPO. 1.1.1 Identificación en campo según el S.U.C.S. El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S.) divide a los suelos en grupos que exhiben intervalos de propiedades mecánicas e hidráulicas semejantes, basándose en los siguientes conceptos: 1.- Los suelos están formados por un conjunto de partículas cuyo tamaño puede variar en un intervalo muy amplio, que va desde los cantos rodados, con más de 15 cm, de diámetro equivalente, hasta las partículas de arcilla coloidal, con menos de dos micras, muchas de las cuales son visibles solamente con la ayuda de un microscopio electrónico. Entre estos extremos se encuentran materiales en tamaños de partículas intermedias y que se denominan: gravas, arenas, limos y arcillas. 2.- Las propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos son el resultado de la interacción de sus partículas. La interacción depende de: • •

La granulometría, dada por las proporciones relativas de los diferentes tamaños de las partículas. La plasticidad, que es una propiedad físico-química de las partículas coloidales contenidas en la fracción más fina del suelo, constituida por partículas menores de 0.075 mm; este es el intervalo de tamaños asignado a limos y arcillas.

Es conveniente realizar la clasificación en campo con base en la clasificación manual y visual del suelo siguiendo las siguientes recomendaciones: La muestra a clasificar deberá ser lo más representativa posible del estrato de suelo para lo cual se requiere haberla obtenido siguiendo lineamiento estándar. La cantidad mínima de material para una descripción e identificación exacta de acuerdo con la siguiente tabla.

1

Tabla B.1. Tamaño mínimo de espécimen en función del tamaño de las partículas. Tamaño máximo de partículas 4.75 mm (Nº 4) 9.5 mm (3/8”) 19.0 mm (3/4”) 38.1 mm(1/2”) 75.0 mm (3”9

Tamaño mínimo del espécimen material seco 100 g (0.25 lb.) 200 g (0.5 lb.) 1.0 Kg. (2.2 lb.) 8.0 Kg. (18 lb.) 60.0 Kg. (132 lb.)

Nota: Si la muestra o espécimen de campo es menor que el mínimo recomendado deberá especificarse en las observaciones.

1.1.1.1 Clasificación de suelos gruesos a) Cuando las partículas de la muestra a clasificar sean de fracción gruesa, se estima el porcentaje de tamaños mayores que la malla N° 4 (para efectos prácticos puede usarse el tamaño de 5 mm como el equivalente a la malla N° 4, ver tabla B.2). b) Si más del 50% de la muestra resulto mayor que la malla N° 4 clasifique al suelo como grava, de lo contrario clasifíquelo como arena. c) Estime el porcentaje de partículas finas (menores que la malla N° 200) d) Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre el 0% y 5%; el suelo se clasifica como grava o arena limpia, dependiendo de lo obtenido. e) Si el porcentaje estimado de partículas menores que la malla N° 200 varía entre el 15 y 50% del total de la muestra, clasifique al suelo como grava o arena arcillosa o limosa, dependiendo de la clasificación de los finos (ver figura B.2). f)

Para gravas y arenas limpias estime su graduación. Si la muestra contiene partículas de todos los tamaños y cantidades apreciables de todos los tamaños grandes e intermedios, se puede clasificar como grava o arena limpia bien graduada (ver figura B.1). Clasifique al suelo de acuerdo con lo establecido en la figura B.2 y apóyese en el anexo B.1.

g) La identificación de los finos como limosos o arcillosos deberá llevarse a cabo como se indica en el subcapítulo 1.1.1.2. h) Si el porcentaje de finos se estima entre 5% y el 15% deberá realizarse lo indicado en el punto anterior y se les deberá asignar símbolo doble por ejemplo una grava bien graduada arcillosa se clasificara como GW-GC tal como se indica en la figura B.2, apóyese en el anexo B.1.

2

Tabla B.2. Clasificación de suelos según su tamaño. Malla N°

mm

3”

750 200 76

4

4.76

200

0.074

m 0.75 0.20 0.076

Suelo grueso limpio

FRAGMENTOS EPICLASTICOS Grandes Fragmentos Medianos de Roca Chicos Gruesa Mediana Grava Fina Gruesa Mediana Arena Fina Grueso Mediano Limo Fino Gruesa Mediana Arcilla Fina

Suelo grueso con finos

FRAGMENTOS PIROCLASTICOS Gruesos Fino

Bombas y bloques

Lapilli

Gruesa Ceniza volcánica Fina

Suelo grueso y finos

Figura B.1. Tamaño y graduación de las partículas.

3

Figura B.2. Esquema para clasificar suelos de grano grueso (ASTM D 2488-06).

4

A continuación se proporciona información descriptiva para clasificación de suelos gruesos. a) Angulosidad.- Describe a las arenas (granos de algunos tamaños perceptibles a simple vista), gravas, guijarro y roca como angulosos, subangulosas, sub-redondeada y redondeados de acuerdo con el criterio de la tabla B.3 y la figura B.3. La angulosidad puede variar de redondeada a angulosa. b) Forma.- Describe la forma de las gravas a guijarros y de las rocas como tabular, alargadas, o equidimensionales, de acuerdo con el criterio de la tabla B.4 y las figuras B.4 y B.5. Se indica la fracción de las partículas que tienen la forma indicada como por ejemplo: “Una tercera parte de las partículas de grava de la muestra son tabulares”. c) Color.- Describe el color. El color es una propiedad importante en la identificación de suelos orgánicos, y para identificar los suelos de acuerdo a su origen geológico (ver tabla B.16). Si la muestra contiene estratos o manchas de colores variados, esto debe ser descrito adecuadamente (ver tabla B.5). El color que se reporte debe ser de muestras húmedas. Si el color representa la condición seca, este estado deberá reportarse en la clasificación (ver figura B.6). d) Olor.- Es necesario describir el olor, ya sea orgánico o alguno inusual. Los suelos que contienen una cantidad significante de materia orgánica usualmente tienen un olor distintivo de vegetación descompuesta. Esto aparece en muestras especialmente recientes, pero si las muestras son secas, el olor puede frecuentemente ser recuperados con la calefacción o el humedeciendo de la muestra. Si el olor no es peculiar como de productos derivados del petróleo, químicos o sus equivalentes, esto deberá ser descrito claramente. e) Condiciones de humedad.- describe las condiciones húmedas, secas, o saturadas de acuerdo con el criterio de la tabla B.6. f) Reacción al Acido clorhídrico.- Describe la reacción al acido clorhídrico como nula, débil y fuerte de acuerdo al criterio de la tabla B.7. g) Cementación.- Describe la cementación de integridad de suelos de grano grueso como débil, moderado y fuerte de acuerdo con el criterio de la tabla B.8 y la figura B.7. h) Estructura.- Describe la estructura del suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.9. i) Dureza.- Describe la dureza de las partículas de arena grande y gruesa como dura o el estado que tengan cuando las partículas son golpeadas por un martillo.

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Tabla B.3. Criterio para describir la angulosidad de partículas de grano grueso (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Angulosa

Partículas que tienen esquinas agudas y bordes afilados.

Sub-angulosa

Similar a la descripción anterior pero con algunas esquinas redondeadas.

Sub-redondeada

Se distinguen pero no se siente las aristas ni los bordes.

redondeada

No se distinguen esquinas o bordes al rolarlo.

Tabla B.4. Criterio para describir las formas de las partículas de grano grueso (ASTM D 2488-06). La forma de las partículas se describen como sigue donde longitud, ancho y espesor de las partículas; mas grande, intermedia y de menos dimensiones respectivamente. DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Tabular

Partículas con ancho y espesor ancho/espesor > 3 (ver figura B.5).

Alargada

Partículas con longitud/ancho > 3.

Equidimensional

Partículas con ambos criterios. Tabla B.5. Características de la coloración.

COLOR Uniforme Manchas Moteado Marmoleado Bandeado

DESCRIPCIÓN Un color discordante, de tamaño apreciable sobre un fondo uniforme. Manchas pequeñas (pecas) sobre un mismo fondo. Dos o más colores que ocurren con igual frecuencia. No hay predominio de color. Colores distintos dispuestos en banda.

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Tabla B.6. Criterio para describir las condiciones de humedad (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Seco

Falta de humedad, polvoriento, seco al tacto.

Húmedo

Con humedad pero el agua aun no es visible.

Saturado

Agua visible, usualmente el espejo de agua se ve por encima del suelo.

Tabla B.7. Criterio para describir la reacción al acido clorhídrico, HCL (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN Nula

CRITERIO Reacción no visible.

Débil o media pero no Poca reacción formando pequeñas burbujas. permanente Fuerte o permanente

Reacción violenta formando burbujas rápidamente.

Tabla B.8. Criterio para describir la cementación (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Débil

Desmoronable o deleznable con las manos o con poca presión de los dedos.

Moderado

Desmoronable o frágil con considerable presión de los dedos.

Fuerte

No desmoronable ni frágil con presión de los dedos.

Nota: Cementante: Sustancia que une partículas de suelo proporcionándoles cierta cohesión.

7

Tabla B.9. Criterio para describir la estructura (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN Estratificada Laminada Fisurada Superficie de deslizamiento Bloques Lentes Homogénea

CRITERIO Estratos alternados de materiales variados o colores con estratos de menos de 6 mm de espesor. Estratos alternados de variados materiales o colores con estratos de menos 6 mm de espesor. Rotura o fractura a lo largo de Planos definidos con poca resistencia al fracturamiento. Planos de fractura con apariencia pulida. Suelos cohesivos que pueden quebrarse. Inclusiones de pequeñas bolsas de arena de diferentes suelos tal como pequeños lentes de arena dispersa y lentes de arcilla. Mismo color y apariencia.

Angulosa

Redondeada

Subangulosa

Subredondeada

Figura B.3. Angulosidad de las partículas de grano grueso.

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Equidimensional

Alargada

Tabular

Figura B.4. Forma de partículas.

W= Ancho T= Espesor L= Longitud

Plana o tabular: W/T>3 Alargada: L/W>3 Tabular y Alargada: ambos criterios

Figura B.5. Criterio para clasificar la forma de las partículas (ASTM D 2488-06).

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Blanco: Caolin Granos de calcita Carbonatos vidrio volcánico Materia orgánica animal Cuarzo

-

Gris en diferentes tonos Negro: -

Minerales ferromagnesianos Biotita, hornblenda, magnetita, etc

-

Evaporación de algunos óxidos de fierro Materia orgánica Ceniza volcánica

Café amarillento (ocre): - De limolita

Blanco

Ocre claro

Negro

Café olivo

Café obscuro

Café:

Blanco

-Oxido de hierro

(en general orgánico)

Café claro Café grisáceo

Negro

Café obscuro (Minerales de materia orgánica)

Rojo:- Feldespato óxidos de Fe por gases sulfúricos, materia orgánica

Blanco

Rosa

Rojo obscuro Negro

Verde Olivo:-Reducción óxidos de Fe por gases sulfúricos, materia orgánica

Blanco

(Mineral, materia orgánica)

Verde olivo claro Verde olivo grisáceo

Negro

Verde olivo obscuro

Figura B.6. Materiales que pueden dar diferente coloración al suelo.

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Limo Arcilla Sílice Sesquióxidos Alúmina Compuestos orgánicos Cementantes Comunes: Ca (calcita) Mg (dolomita) Carbonatos

Fe (siderita) Ca, Mg, Fe (ankerita)

Figura B.7. Cementantes comunes.

1.1.1.2 Clasificación de suelos finos También en este caso el sistema considera a los suelos agrupados con un criterio similar al usado para los suelos gruesos (ver figura B.8 y apoyarse en el anexo B.1) y dando lugar a las siguientes subdivisiones: a) Limos inorgánicos de símbolo genérico M (del sueco mo y mjala). b) Arcillas inorgánicas, de símbolo genérico C (clay). c) Limos y arcillas orgánicas, de símbolo O (orgánica). A continuación se proporciona información descriptiva para la clasificación de suelos finos. a) Dilatancia (Prueba de movilidad de agua). Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba: •

Elimine a mano las partículas de suelos mayores a 0.50 mm.

•

Forme una pastilla de suelo húmedo, bien homogeneizada, aproximadamente 15 cm3 (que quepa en la palma de las manos).

•

En caso necesario añada agua para obtener una mezcla suave pero no pegajosa.

•

Coloque la pastilla en la palma de la mano y agite horizontalmente golpeando contra la otra mano varias veces.

•

Estime la velocidad con que le aparece el agua en la superficie de la pastilla y esta se torna lustrosa y aquella con la que desaparece al apretar la pastilla entre los dedos.

•

Catalogue la velocidad como rápida, lenta o nula (ver tabla B.10) y de acuerdo con lo establecido en la parte inferior izquierda del anexo B.1.

de

b) Prueba de resistencia en estado seco Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba:

11

•

Elimine de la muestra las partículas con tamaño mayor que 0.50 mm.

•

Moldee una pastilla de suelo hasta que alcance la consistencia de una masilla añadiendo agua si es necesario.

•

Deje secar totalmente la pastilla al sol y al aire.

•

Estime la resistencia de la pastilla seca tratando de desmoronarla o romperla con los dedos.

•

Catalogue la resistencia como nula ligera, media o alta y clasifique al suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.11 y al anexo B.1.

c) Prueba de tenacidad Con los pasos siguientes se podrá realizar correctamente la prueba: •

Elimine de la muestra las partículas mayores de 0.50 mm.

•

Moldee un espécimen de suelo de aproximadamente 15 cm3 hasta alcanzar una masilla. Si el suelo está seco agregue agua; si al contrario está pegajoso, extiéndalo para formar una capa delgada de suelo que permita la pérdida de humedad por evaporación.

•

Cuando se tenga la consistencia esperada, role la pastilla de suelo con la mano sobre una superficie lisa, o entre las palmas tratando de formar un rollito de aproximadamente 3 mm de diámetro.

•

Repita esta operación varias veces, hasta que el rollito pierda su plasticidad (se ponga tieso y se desmorone).

•

Recolecte los pedazos y júntelos nuevamente amasando la pastilla con los dedos hasta que se vuelva a desmoronar.

•

Catalogue la debilidad del rollito en el límite plástico y la facilidad con que la pastilla se desmorona y pierde la cohesión una vez que se ha rebasado este límite, como baja, media o alta y clasifique al suelo de acuerdo al criterio de la tabla B.12 y anexo B.1.

d) Plasticidad Una de las observaciones básicas hechas durante la prueba de tenacidad es que se describe la plasticidad siguiendo los criterios de la tabla B.13. e) Consistencia Para la integridad de suelos de grano fino se describe la consistencia como muy blanda, blanda, firme, dura y muy dura de acuerdo al criterio de la tabla B.14. Esta condición se da únicamente en suelos finos que no tengan considerables contenidos de gravas. f) Ejemplos de clasificación. •

Identificación de suelos finos inorgánicos

•

Identificación del suelo como de baja compresibilidad, CL, si el suelo tiene media a alta resistencia en estado seco o baja dilatancia y media tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.

12

•

Identificación de arcilla de alta compresibilidad, CH, si el suelo tiene alta a muy alta resistencia en estado seco, no dilatancia, y alta tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.

•

Identificación de suelo como limos ML, si el suelo tiene baja resistencia en estado seco, dilatancia rápida, y de baja a media tenacidad y plasticidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1.

•

Identificación de suelo como limo de alta compresibilidad apoyándose en la tabla B.15 y del anexo B.1. Tabla B.10. Criterio para describir la dilatancia (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN Nula

Lenta

Rápida

CRITERIO No hay cambio visible en el espécimen. El agua aparece lentamente sobre la superficie durante el agitado y no desaparece, y aparece lentamente sobre el suelo. El agua aparece rápidamente sobre la superficie del espécimen durante el agitado y desaparece rápidamente en el exprimido.

CLASIFICACIÓN CH

MH ó CL

ML

Tabla B.11. Criterio para describir la resistencia al estado seco (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN

CRITERIO

CLASIFICACIÓN

El espécimen seco se desmorona y se pulveriza con una simple presión de las manos.

ML

Nula

El espécimen seco de desmorona y se pulveriza con la presione de algunos dedos.

CL

Ligera

El espécimen seco se rompe en algunas piezas o desmorona con considerable presión de los dedos.

CL ó MH

Media

CL ó MH

Alta

El espécimen seco no se puede romper con presión de los dedos el espécimen se rompe en piezas entre el pulgar y una superficie dura. El espécimen seco no se puede romper entre el dedo pulgar y una superficie dura.

CH

Muy alta

13

Figura B.8. Esquema para clasificar suelos de grano fino (ASTM D 2488-06). Tabla B.12. Criterio para describir la tenacidad (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN

CRITERIO

CLASIFICACIÓN ML

Baja

Se requiere una pequeña presión en el rollito para estar cerca del límite plástico y los rollito son débiles y blandos.

CL ó MH

Media

Se requiere de una presión media en el rollito para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen mediana firmeza.

CH

Alta

Se requiere de una considerable presión para estar cerca del límite plástico. La masa y el rollito tienen muy alta firmeza.

14

Tabla B.13. Criterio para describir la plasticidad (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Nula

A 1/8” (3mm) no se puede hacer el rollito por el contenido de agua.

Baja

Se puede hacer escasamente el rollito y la masa no puede ser formada cuando es tan seco como el límite plástico.

Media

Se puede hacer fácilmente el rollito y no requiere mucho tiempo encontrar el limite plástico. El rollito no se puede rehacer cuando después de haber encontrado el limite plástico. La masa se desmorona cuando es tan seco como el límite plástico.

Alta

Se tarda un tiempo considerable en hacer el rollito, amasar y buscar el límite plástico. El rollito puede ser conformado varias veces antes de encontrar su límite plástico y puede ser formado con los restos del desmoronamiento cuando es tan seco como el límite plástico.

Tabla B.14. Criterios para describir la consistencia (ASTM D 2488-06). DESCRIPCIÓN

CRITERIO

Muy blanda

No se requiere presión para penetrar el pulgar en el suelo más de 1” (25 mm).

Blanda

El pulgar se hunde fácilmente. Se puede moldear fácilmente con los dedos.

Firme

Se requiere presión para que el pulgar penetre o deje huella. Es decir opone resistencia a la deformación.

Dura

El pulgar no penetra. Opone mucha resistencia a la deformación. Se puede marcar con la uña.

Muy dura

No se marca al suelo ni con el pulgar ni con la uña.

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Tabla B.15. Identificación de los suelos finos en la prueba manual (ASTM D 248806). SIMBOLO DEL SUELO

RESISTENCIA EN ESTADO SECO

DILATANCIA

TENACIDAD

ML

Nula o Baja

Lenta a Rápida

Baja o imposible formarse el rollito

CL

Media a Alta

Nula a Lenta

Media

MH

Maja a Media

Nula a Lenta

Baja a Lenta

CH

Alta a muy Alta

Nula

Alta

1.1.1.3 Identificación de suelos de grano fino orgánicos. Esta clasificación se encuentra descrita en detalles en el numeral 1.1.2.1.

1.1.1.4 Clasificación Geológica de los depósitos de suelo. En la tabla B.16 se muestran los nombres empleados en la Geología para designar diferentes clases de depósitos de suelos, así como la relación que existe entre el proceso de depositacion y su influencia en la textura, estructura y compacidad.

16

Tabla B.16. Clasificación de los suelos según su origen geológico (Tamez, 2001). CLASIFICACION

PROCESO DE FORMACION

Residuales

NATURALEZA DE LOS DEPOSITOS

TEXTURA

ESTRUCTURA

CONSISTENCIA

In situ

Granular o coloidal

Fracturas de la roca madre

Blanda a dura

Abanicos

Granular, media y subangulosa

Heterogénea

Suelta a semicompacta

Granular, fina a coloidal

Heterogénea, lenticular o estratificada

Suelta a compacta

Llanuras Terrazas

Aluviales

Deltas

Coluviales

Transportados

Marinos

Glaciares

Lacustres

Talus

Granular, media a fina o coloidal

Homogénea

Granular, gruesa y angulosa

Heterogénea

Morrenas Fluviales Marinos

Granular, gruesa o coloidal

Loess Eólicos

Piroclástico

Ninguno o Aluviales

Compacta

Granular, fina y uniforme

Homogénea

Muy suelta

Granular, gruesa a fina

Heterogénea, estratificada y homogénea

Suelta a compacta

Coloidal o fibrosa

Estratificada

Muy blanda

Lacustres Orgánicos

Suelta

Blanda a dura

Superficiales Marinos

Heterogénea

Blanda a dura

Estratificada

Lacustres Dunas

estratificada

Suelta a compacta

Residuales Marinos Lacustres

17

1.1.2 Identificación especiales

en

campo

de

suelos

con

problemas

El objetivo de este título, es dar una definición general de los suelos con problemas especiales que se pueden encontrar en la república mexicana y algunas recomendaciones para su identificación en campo. Los suelos que se consideran especiales para fines de este título son algunos suelos orgánicos; también se incluyen suelos expansivos, residuales, dispersivos y colapsables.

1.1.2.1 Suelos orgánicos La identificación de suelos orgánicos en campo va ligada con la identificación durante la exploración y el reconocimiento de campo, de problemas de asentamientos importantes debido a la degradación de la fracción orgánica de los suelos y la presencia de suelos no recomendables como soporte para la cimentación de estructuras. Esto se debe a que la actividad de la materia orgánica es comparable con la de los minerales de arcilla, influenciando cambios en las propiedades geológicas del suelo. (Myslinska, 2003). Los suelos orgánicos presentan un alto contenido de materia orgánica. Están conformados por material vegetal en descomposición y/o por residuos sólidos orgánicos. Estos se pueden definir como aquellos que presentan reacción ante el agua oxigenada H2O2, tienen un contenido mayor del 2% de materia orgánica (Myslinska, 2003), índice de plasticidad alto y alta pérdida de masa por calentamiento a temperaturas por encima de 440ºC. También, son altamente compresibles, con baja resistencia al esfuerzo cortante no drenada y potencialmente corrosivos (Sabatini y colaboradores, 2002). De acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos S.U.C.S. (ASTM D 2488-06), los suelos de grano fino orgánico se clasifican como OL/OH, cuando se identifica la presencia de partículas de materia orgánica que influyen en las propiedades del suelo, como se mencionó anteriormente. El esquema para la clasificación de este tipo de suelos se observa en la figura B.9.

Figura B.9. Esquema para clasificar suelos orgánicos.

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La turba “Pt” y los suelos altamente orgánicos se identifican en campo fácilmente, por su color, olor, sensación esponjosa (Manual CFE, 1980) y por ser altamente compresibles (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804). A continuación se sugieren las siguientes características a identificar: •

Fábrica: los suelos orgánicos están conformados por materia orgánica parcialmente descompuesta, pasto y otro tipo de vegetación (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).

•

Color: Su color es oscuro, variando desde el café mate al negro.

•

Textura: varía de grumosa finamente dividida en el caso de la turba resultado de una descomposición avanzada de tipo aerobio, a una textura fibrosa en la turba que ha estado siempre sumergida (Manual CFE, 1980).

•

Olor: los suelos orgánicos tienen un olor rancio que disminuye al exponerlo al aire. El olor puede ser reavivado con el calentamiento de la muestra húmeda o por la exposición de la muestra fresca (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).

•

Contendido de Materia Orgánica: La presencia de materia orgánica en los suelos, se detecta adicionando a una muestra del suelo de interés, algunas gotas de Peróxido de Hidrógeno H2O2 (agua oxigenada).

La Turba “Pt”, es un suelo de origen natural, altamente orgánico de acuerdo al S.U.C.S., el cual está compuesto principalmente por fibras vegetales en varios grados de descomposición, que le dan una textura entre fibrosa y amorfa. Su color varía entre café oscuro y negro, y presenta olor orgánico. Este tipo de suelo no entra dentro de la clasificación presentada en la figura B.9., y se diferencia de otros suelos orgánicos por su bajo contenido de ceniza, menor al 25% (ASTM D 4427-92). La turba Pt, puede dividirse en tres tipos de acuerdo a la tabla B.17. De acuerdo a su origen geológico secundario, los depósitos de turba se forman en depresiones correspondientes a zonas de asentamiento o de topografía irregular, deltas, antiguos cauces, esteros, planicies de inundación fluvial y bordes de lagos. En ellos no se define estratificación. En el caso de suelos orgánicos no superficiales, se pueden identificar durante la exploración geotécnica de la siguiente manera: - Con la utilización del cono eléctrico con medición de punta y fricción, los suelos orgánicos presentan una relación de fricción mayor a 5.1% y con cono eléctrico esta relación es mayor a 8.1% (EPRI, Manual Soil Prop Estimating, section 2. Basic soil characterization). En la figura B.10, se observa la clasificación de distintos suelos usando la prueba CPT. Este método sólo proporciona una orientación o guía que debe verificarse. Otras clasificaciones de los suelos orgánicos, de acuerdo a la literatura existente, se puede realizar de acuerdo a diferentes criterios. Algunos de estos se presentan a continuación:

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Tabla B.17. Tipos de turba de acuerdo a su textura, según S.U.C.S. (ASTM D 442792) TIPOS DE TURBA

Fibrosa

Seudo-fibrosa

Amorfa

TEXTURA Contiene un 67% de fibra, está conformada por restos de materia vegetal parcialmente descompuesta en donde se puede identificar claramente las plantas. Esta turba no se escurre entre los dedos y el agua que arroja es clara o con una ligera turbidez. Consistencia media a firme, plasticidad baja a moderada y baja contracción por secado. Contiene entre 37% y 67% de fibra, está conformada por materia orgánica entre moderada y completamente descompuesta siendo difícil identificar las plantas. El agua que arroja es turbia o enlodada y la cantidad de turba que se escurre entre los dedos esta entre 0% y 30%. Plasticidad media a alta y alta contracción por secado. Contiene menos del 37% de fibra, está conformada por materia orgánica con alta descomposición. Entre el 50% y el 100% de la turba se escurre entre los dedos. El color de la turba puede varias entre negro, verde olivo y amarillo o combinaciones de estos. Alta contracción por secado.

Clasificación de acuerdo al origen del suelo orgánico: De acuerdo a su origen, la acumulación de suelos orgánicos tomando en cuenta los factores hidrogeológicos, tiene lugar en tres ambientes básicos (Tobolski, 2000 y Myslinska, 2003). Fluvial: típico para la formación de gyttja (Materiales de origen orgánico, como cadáveres de animales y plantas, que se descomponen en aguas estancadas, con un contenido de carbonato de calcio mayor al 80%). Fluvio-terrestre: Ambiente propicio para la formación de turba de ciénaga (fen-peat) y de lodos. Terrestre: responsable de la formación de turba de pantano (bog-peat), turba de transición y suelos húmicos (compuestos principalmente por el humus resultante de la descomposición de la materia orgánica vegetal y animal).

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Figura B.10. Clasificación de suelos con prueba CPT (Fuente: EPRI, Manual Soil Prop Estimating, section 2. Basic soil characterization). Clasificación biogénica: Esta se debe a Marks (1992), quien subdivide los depósitos biogénicos en los siguientes grupos: •

Depósitos sapropélicos de lago: Son aquellos que se originan de lodo rico en materia orgánica putrefacta, principalmente de restos de plancton animal. Estos se dividen también en dy y en gyttja. -

El dy se origina tanques distróficos (cuerpos de agua ácidos que contiene muchas plantas pero pocos peces, debido a la presencia de grandes cantidades de materia orgánica) y tiene contenidos mayores al 50% de materia orgánica coloidal alóctona (que no es originaria del lugar donde se encuentra) de color café oscuro, parecido a la turba, es ácido con pequeñas cantidades de calcio. Se puede incluir dentro de la gyttja o turba extremadamente descompuesta.

-

La gyttja se origina de depósitos sapropélicos (provenientes de lodo rico en materia orgánica putrefacta) de lagos eutróficos (abundantes en nutrientes como nitrógeno y fósforo que favorecen el crecimiento de algas y otros organismos) ricos en oxígeno y materia orgánica. Se caracterizan por la presencia de partículas orgánicas como plancton, presencia de materia orgánica, carbonato de calcio y partículas de minerales no carbonatados.

•

Depósitos húmicos de pantano: formados de restos de plantas.

•

Turbas: se forman en la orilla de las zonas de lago y en zonas cubiertas de plantas pero con humedad.

21

Clasificación de acuerdo al contenido de ceniza: Esta clasificación fue propuesta por la Escuela de Agricultura de Varsovia (Wolski, 1996) y se basa en el contenido de ceniza (porcentaje de partículas minerales de tamaño inferior a 2 mm). Esta se presenta en la tabla B.18. Tabla B.18. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo al contenido de cenizas. Tipo de suelo orgánico

Contenido de ceniza

Turba de bajo contenido de ceniza.

0 – 25%

Turba de contenido medio de ceniza.

25% – 50%

Lodos con alto contenido de ceniza.

50% - 80%

Arcillas y arenas orgánicas (suelos orgánicos – minerales).

80% - 98%

Gyttja y marga de lago (suelos orgánico-calcáreos).

Clasificación independiente del contenido de ceniza.

Clasificación de acuerdo a los parámetros físicos del suelo orgánico: Esta clasificación, que se presenta en la tabla B.19, fue propuesta por Borys (1996) y se basa en valores de los parámetros físicos del suelo orgánico (tipo de suelo, grado de descomposición de la turba, contenido de carbonato de calcio, contenido de ceniza sin carbonato de calcio, humedad, ángulo de fricción interna, etc.). Tabla B.19. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo a parámetros físicos. Descripción del Suelo Orgánico Suelos orgánicos de madera (Warps) Lodos Turba fangosa Turba no fangosa (amorfa, amorfa – fibrosa, fibrosa) Gyttja mineral Gyttja orgánica Gyttja carbonatada Desechos

Contenido de Ceniza

Otros componentes

80% - 98%

-

25% - 80% 25% - 80% 0% - 25%

-

Mayor al 65% Menor al 65% Menor al 60% 20 – 98%

CaCO3 menor al 20% CaCO3 0% - 20% CaCO3 20% - 90% -

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Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica (ISO 2001): En esta clasificación, que es la vigente en Europa, los suelos orgánicos se identifican microscópicamente por su color oscuro y su olor característico. Además, se subdividen con base a su contenido de materia orgánica (determinado en relación a la masa seca del suelo de tamaño de grano mayor a 2 mm de diámetro). Esta clasificación se presenta en la tabla B.20. Tabla B.20. Clasificación de suelos orgánicos de acuerdo al contenido de materia orgánica (ISO 2001(a) y 2001(b)). Tipo de suelo orgánico Suelos con bajo contenido de materia orgánica. Suelos con contenido medio de materia orgánica. Suelos con contenido alto de materia orgánica.

Contenido de Materia Orgánica C.M.O. 2% - 6% 6% - 20% Mayor al 20%

Además las normas ISO 2001(a) e ISO 2001(b), clasifica estos suelos por su origen y algunas propiedades así: -

Turba fibrosa: se caracteriza por su estructura fibrosa en donde se distinguen restos de plantas y algo de resistencia remanente.

-

Turba seudo-fibrosa: Se reconoce por contener restos de plantas pero presenta disminución en su resistencia.

-

Turba amorfa: no es visible una estructura de planta y su consistencia es blanda.

-

Gyttja: contiene restos de animales y plantas descompuestas y puede contener constituyentes inorgánicos.

-

Suelos húmicos: contiene restos de plantas, organismos vivientes y sus excretas, gran contenido de constituyentes inorgánicos. Forman la capa vegetal.

Clasificación de acuerdo al contenido de materia orgánica (ASTM D 2974): Esta clasificación fue propuesta por Landva y colaboradores (1983), de acuerdo al contenido de materia orgánica, según la norma “Standard Test Method for Moisture, Ash, and Organic Matter of Peat Material and Other Organic Soils ASTM D 2974. Landva dividió los suelos orgánicos en cuatro grupos: (1) turba (Pt), (2) Suelo orgánico con turba (PtO), (3) suelo orgánico (O), y (4) arcillas y limos con contenido orgánico. En la tabla B.II.23., se muestra dicha clasificación (Sabatini at al, 2002).

23

Tabla B.21. Clasificación de suelos orgánicos y turbas de acuerdo al contenido de materia orgánica (ASTM D 2974). Tipo de Suelo

Contenido de materia orgánica

Contenido de agua (wn)

Gravedad específica (Gs)

Contenido de fibra

Pt

500%

50%

PtO

20-40%

150 – 800%

1.6 – 1.9

1.7

Despreciable

MO, CO

95 – 99%

2.4

Ninguno

La materia orgánica influye de manera importante en las propiedades del suelo, haciéndolo altamente compresible y susceptible a asentamientos importantes, por lo cual este tipo de suelos no es recomendable como suelo de desplante. La identificación de suelos orgánicos en el campo es crucial para prevenir o mitigar oportunamente problemas como este. Dentro de las clasificaciones existentes para suelos orgánicos, las que están basadas en el contenido de materia orgánica, son las de mayor aplicación para la ingeniería práctica.

1.1.2.2 Suelos expansivos Los suelos expansivos, son principalmente arcillas cuya composición mineral es la motmorillonita. Están formados por una lamina alumínica entre dos sílicas con enlaces débiles, lo que facilita la penetración de moléculas de agua a su estructura reticular. Otros autores y dependencias clasifican a los suelos expansivos de la siguiente manera: Según la clasificación del sistema FAO-UNESCO, 1970, modificada por la Dirección General de Geografía del Territorio Nacional (Secretaria de Programación y Presupuesto, 1981) se utilizan las características morfológicas, físicas y químicas para separar los suelos en unidades que proporcionen información referente a su aplicación práctica con fines diversos, entre los que se encuentran los de Ingeniería civil. De acuerdo a la edafología, los vertisoles (suelos de color obscuro, de textura uniforme, fina a muy fina y con contenido bajo de materia orgánica, la mayoría de los cuales contienen carbonato de calcio) son el principal tipo de suelo expansivo. Donalson (1969) dividió en dos a los grupos de materiales que dan origen a suelos expansivos. El primer grupo comprende las rocas ígneas básicas (basaltos y gabros); el segundo a las rocas sedimentarias que contienen motmorillonita constituyente, las cuales se desintegran mecánicamente para formar los suelos expansivos (Chen, 1988). Los suelos expansivos abundan en aquellos sitios donde la evapotranspiración excede la precipitación. Un indicativo de la presencia de suelos expansivos en el campo es la desecación de la superficie, así como la aparición de grietas y fisuras en los depósitos de arcilla. También pueden observarse ondulaciones en el terreno. El procedimiento sugerido para la identificación de los suelos expansivos en campo es el siguiente:

24

a) Estimar los cambios previsibles de humedad (datos meteorológicos del sitio). b) Estimar el espesor de la capa activa. c) Estimar visualmente las propiedades de expansión de la arcilla. d) Reunir información de la zona con los habitantes del lugar. e) Estimar de manera cualitativa el grado de expansión de la arcilla mediante la prueba de hinchamiento de campo. La prueba de hinchamiento de campo, consiste en tomar una muestra representativa del material, con la cual se moldea un cubo de aproximadamente 1.5 cm de lado. Luego se coloca dentro de una bureta con agua destilada y se registra su altura. Se toman lecturas antes y después de 24 horas. Si el hinchamiento presentado es mayor al 4%, el suelo podría ser expansivo (González de Vallejo, 2004). Para una mejor identificación del grado de expansibilidad de los suelos es recomendable seleccionar una muestra representativa del sitio y llevarla a laboratorio para identificar su mineralogía, obtener sus límites de consistencia (limite liquido, plástico y de contracción línea), realizar pruebas por los métodos USBR, método de la actividad y método del PVC (potencial del cambio de volumen), los cuales se describen en el volumen B.2.2 de este manual (Pruebas de laboratorio para determinar las propiedades de los suelos), y obtener otras propiedades como la expansión libre y su contenido coloidal La mayoría de las arcillas expansivas se clasifican al grupo CH de acuerdo con el SUCS. Los suelos expansivos generalmente presentan consistencia de mediana a firme, con capacidades de carga admisibles superiores a 100kN/m², su peso específico suele ser mayor que el de la mayoría de los suelos. En la figura B.11. se presenta una carta de plasticidad con los suelos mexicanos, en la cual se encuentran caracterizados algunos suelos expansivos de varias ciudades del país. p Simbología

90

T ijuana

Hermosillo

70

CH

Cd. Obregón

CH

Navojoa

Línea B

INDICE PLASTICO, en %

%

Mexicali

80

60 50

Los Mochis Culiacán Cd. Juárez Durango

ML

Irapuato

40

León Matamoros

30

Nvo. Laredo Querétaro

20

Reynosa

MH

OH

Salamanca

10

Celaya

CL-ML ML

0 0

10

ML

OL

20

30

40

Cuernavaca

50

60

70

80

90

100

110

120

LIMITE LIQUIDO, en %

Figura B.11. Carta de plasticidad de suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda 1987 y 1992). 25

En México los suelos expansivos se presentan en regiones con depósitos de arcilla donde ocurren variaciones significativas de humedad: en zona monzónicas, con estaciones muy diferentes, y en zonas semidesérticas en las cuales se alteran extensas temporadas de sequía con pequeños periodos de precipitación. En especial los suelos expansivos se encuentran en las zonas semiáridas de las regiones con clima templado y tropical en las cuales la evapotranspiración anual es mayor que la precipitación anual. Los estados que presentan el problema de arcillas expansivas son: Querétaro, Durango, Guanajuato, Michoacán, Tamaulipas, Morelos, Sonora, Baja California Norte, Veracruz, Chiapas y Campeche. En la figura B.12, se muestra esquemáticamente las zonas potenciales de suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda, 1987).

26

Figura B.12. Representación de los suelos expansivos en México (Zepeda y Castañeda 1987).

27

1.1.2.3 Suelos residuales Estos suelos se caracterizan por los cambios en sus propiedades mecánicas en estado seco y su tendencia a la expansión en presencia de humedad. El suelo residual, es el resultado de la intemperización (meteorización química) in situ de la roca madre y el cual sufre poca o ninguna alteración por transporte. Provienen de esquistos, arcillolitas y limolitas que se degradaron al contacto con el agua y el aire. Estos procesos son más acelerados en ambientes tropicales, donde existen cambios de temperatura con predominio de temperaturas altas y lluvias abundantes. Su naturaleza es casi invariable, pero con la profundidad llegan a ser más compactos y menos intemperizados. Pueden tener capas alternadas duras y blandas o estratificación de la roca madre, si la intemperización es incompleta. El producto de la intemperización completa es arcilla cuyo tipo depende del proceso de meteorización y de la roca madre, además de la cantidad de partículas de sílice resistente. El suelo en etapa intermedia refleja la composición de la roca madre. En la naturaleza este proceso, se presenta en tres etapas: la primera de ellas es la desintegración, en la cual se abren las discontinuidades y se desintegra la roca, formando más discontinuidades por fractura. En esta etapa hay disminución de la cohesión, aumento en la relación de vacíos y en la permeabilidad. La segunda etapa es la descomposición, en la cual se incrementa el contenido de arcilla debido a procesos químicos o biológicos. Entre los procesos químicos que ocurren están la hidrólisis y el intercambio iónico, mientras que entre los biológicos se incluyen los efectos de las raíces, la oxidación bacteriológica y la reducción de hierro y compuestos de azufre. La última etapa es la oxidación y recementación, en la cual aumentan los óxidos de hierro y aluminio, los cuales tienen propiedades cementantes que incrementan la cohesión y la estabilidad del suelo. El comportamiento geotécnico de estos suelos está influenciado por su mineralogía, su fábrica y las condiciones geoquímicas del medio (González de Vallejo, 2004). En las zonas de ladera y montaña, donde hay buen drenaje, por lo regular se forman suelos rojos con alto contenido de haloysitas (mineral arcilloso perteneciente la grupo del caolín, con apilamiento desordenado de las capas) los cuales presentan cambios en sus propiedades mecánicas debido a la desecación. En las zonas bajas y llanas con drenaje pobre, los suelos resultantes de la meteorización son de color negro debido a su contenido de esmectita (mineral arcilloso con presencia de cationes débilmente hidratados que favorece la penetración de moléculas de agua). Estos suelos se caracterizan por sus problemas de expansión al aumentar el contenido de agua. Por otra parte, se pueden formar suelos encostrados de buen comportamiento geotécnico en superficie, en zonas donde las condiciones de drenaje son deficientes y favorezcan la precipitación de altos contenidos de un mineral predominante, como aluminio en el caso de los suelos de tipo laterita, hierro en el tipo Ferricrita, sílicio en el tipo silcritas o calcio en el tipo calcrita. La meteorización avanza desde la superficie hacia abajo y a través de las discontinuidades de la roca, produciendo distintas intensidades y dejando bloques sin descomponer. En la figura B.13, se presenta un perfil tipo de suelos residuales.

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Figura B.13. Perfil típico en suelo residual. En la figura B.13, se puede observar que el perfil de un suelo residual típico, se puede dividir en tres zonas: una zona superior, conformada por los suelos completamente intemperizados, donde ocurre cierto arrastre de materiales; una zona intermedia, altamente intemperizada o saprolito, en cuya parte superior existe una cierta meteorización, pero también cierto grado de deposición hacia la parte inferior de la misma, y una zona ligeramente intemperizada que sirve de transición entre el suelo residual y a la roca original inalterada. Para la identificación de los suelos residuales en campo se sugiere lo siguiente: •

Identificar en el campo, afloramientos de roca o cortes producto de la disección de ríos o quebradas, o en taludes artificiales mayores a 10 m de altura.

•

Estimar el grado de meteorización mediante una prueba de consistencia en campo, como se explica a continuación:

La prueba de consistencia permite estudiar el grado de meteorización. Esta prueba consiste en raspar la superficie de la roca meteorizada usando una navaja o una puntilla y 29

se observa la facilidad con que se puede cortar. En la siguiente tabla se clasifica el grado de descomposición (Suarez, 1998). Tabla B.22. Medición del grado de descomposición de feldespatos. Grado de Descomposición

Consistencia

Poco

Dura

Moderado

Arenosa

Alto

Deleznable

Completo

Blanda

Modo de Reconocimiento No puede ser cortado por una navaja, ni raspado por una puntilla. Puede ser cortado por un cuchillo o raspado por una cuchilla. Puede ser desmoronado a fragmentos de limo con las manos. Puede ser moldeado fácilmente con las manos.

1.1.2.4 Suelos dispersivos Los suelos dispersivos tienden a flocular en presencia de agua, perdiendo parte de las partículas de arcilla con elevada concentración de sales disueltas. Al separarse el flóculo, quedan partículas de menor tamaño que son fácilmente arrastradas por el agua con cierta velocidad, causando la erosión interna de estos suelos. El fenómeno de dispersividad ocurre en arcillas firmes saturadas, con un contenido salino excepcional o en suelos ácidos, en las cuales las fuerzas repulsivas entre las partículas finas (arcillas), exceden a las fuerzas de atracción entre las mismas (González-De Vallejo, 2004). Las partículas pueden permanecer indefinidamente en contacto con el agua, sin sufrir alteración, pero si se secan, se dispersan rápidamente al ponerse nuevamente en contacto con el agua (Jiménez Salas, 1990). Cuando este tipo de arcillas se sumerge en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de forma similar a las partículas granulares. Esto se debe a que en las arcillas dispersivas predominan los cationes de sodio en el agua de los poros (en arcillas ordinarias hay preponderancia de cationes de calcio, potasio y magnesio), los cuales tienen una única carga positiva (si se compara con las cargas por calcio e iones de magnesio) que produce un desequilibrio en las fuerzas electroquímicas que causa repulsión entre partículas. Como las partículas de la arcilla son muy pequeñas y tienen poca masa, se desagregan fácilmente y son transportadas por el agua (Garay, 1999). Los suelos dispersivos pueden identificarse en el campo a partir de reconocimientos visuales de la zona, buscando indicios superficiales como: •

Erosión visible en taludes expuestos en carreteras o huecos longitudinales a lo largo del cauce en corrientes naturales de agua o en cortes naturales o excavaciones.

•

Hondonadas profundas en terrenos planos o casi planos.

•

Turbidez excesiva en cualquier depósito de agua.

•

Áreas cultivables de bajo rendimiento o crecimiento mal desarrollado que puede indicar presencia de suelos altamente salinos.

•

Presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en presas pequeñas.

30

Sin embargo, en ausencia de estas evidencias, no es posible descartar la posibilidad de encontrar arcillas dispersivas en estratos profundos. En campo se puede realizar el ensaye de la migaja (USBR 5400-89), con el fin de determinar si un suelo es dispersivo. El ensaye consiste en preparar un espécimen cúbico de 15 mm de lado, con el suelo y luego se deja secar al aire. Una vez seco, el cubo se coloca cuidadosamente en aproximadamente 250 ml de agua destilada en un recipiente transparente. Mientras el suelo se hidrata, se observa la tendencia de las partículas coloidales para deflocularse y entrar en suspensión, lo cual ocurre después de 5 a 10 minutos de inmersión. Luego se usa la guía de interpretación que se presenta en la siguiente tabla (Garay, 1999). La identificación de suelos dispersivos en campo, es indispensable en proyectos donde la presencia de agua es obligatoria, como en el caso de las presas e instalaciones de drenajes profundos, por ser propensos a la falla por tubificación. Tabla B.23. Identificación de grado de dispersión del suelo por el ensaye de la Migaja. Tipo de Comportamiento dispersivo

Descripción de la reacción

Grado 1

Ninguna reacción – No dispersivo

Grado 2

Reacción ligera

Grado 3

Reacción moderada

Nubosidad de coloides en suspensión fácilmente reconocible. Usualmente diseminado en trazas delgadas en el fondo del recipiente.

Reacción fuerte

Nubosidad coloidal que cubre casi la totalidad del fondo del recipiente, usualmente en una superficie muy delgada. En casos extremos, toda el agua del recipiente se vuelve turbia.

Grado 4

Modo de Reconocimiento El suelo se desmorona y se esparce en el fondo del recipiente formando una capa, sin ningún signo de turbiedad en el agua causada por coloides en suspensión. Insinuación de nubosidad en el agua en la superficie del suelo.

1.1.2.5 Suelos colapsables Los suelos colapsables se caracterizan por tener una estructura muy abierta y suelta, pero son estables en estado seco, debido a que están ligeramente cementados por cristales de sulfatos o por partículas más finas que llenan los poros. Cuando se incrementan los contenidos de agua en este tipo de suelo, se puede destruir su estructura inicial, lo cual hace que disminuya considerablemente su volumen, produciendo asentamientos importantes y arrastre de material. A este fenómeno se le llama colapso.

31

El fenómeno del colapso puede presentarse casi en cualquier suelo, más o menos cementados, en determinado estado del mismo (Jiménez Salas, 1990). Este tipo de suelo se caracteriza por ser fácilmente erosionable y por sufrir colapso irrecuperable por inundación. Por tal motivo, es necesario evaluar las características del material en el contenido de humedad de diseño. Algunos de los suelos susceptibles de ser colapsables son: suelos de deposición eólica (loes cementados con carbonato de calcio), suelos compactados del lado seco, suelos en áreas cubiertas por zonas de inundación y en conos de deyección de ríos torrenciales, suelos en zonas desérticas, limos cementados con sulfato cálcico, suelos residuales cementados con hidróxidos o compactados, arcillas de cementación marina altamente preconsolidadas (Jiménez Salas, 1990), coluviones y arenas cementadas (Sabatini at al, 2002). Algunos de estos suelos se describen a continuación: Los loes son suelos de deposición eólica, conformados por partículas de tamaño de limo y con cohesión aparente resultado de la arcilla calcárea que sirve como aglutinante, manteniendo juntas las partículas de limo (Sabatini et al, 2002). El coluvión es un material erosionado que migra y se acumula en la ladera o en el pie de un talud. Está conformado por material granular fino o cuarzoso con fragmentos de roca, que puede formar estratos delgados débiles que influencian la estabilidad de los taludes y la acumulación de agua en la interfase roca-coluvión. Estas formaciones ocurren en ambientes húmedos y templados (Sabatini et al, 2002). Las arenas cementadas, consisten en suelos arenosos con sal o de vinculación calcárea en los puntos de contacto grano-grano. Si el agente cementante es soluble, el material puede ser potencialmente colapsable. En campo aparece como una arena densa, dando rechazo en el ensaye de penetración estándar, pero es quebradizo (Sabatini et al, 2002). Los rellenos no compactados, que quedan con una estructura suelta, permitiendo que el agua, en los contactos entre las partículas, forme meniscos de succión que aumentan las fuerzas intergranulares comprimiendo las partículas. Esto les otorga una resistencia aparente considerable en condiciones normales de humedad (Gonzalez-De Vallejo, 2004). Finalmente, las arcillas de cementación marina están conformadas por lodos y arcillas con baja compresibilidad que han sido filtradas por sal, lo que origina que su estructura sea inestable (Sabatini et al, 2002). En general, los suelos colapsables, se presenta en el terreno con valores bajos de peso unitario seco y contenido de agua, lo cual les da una apariencia resistente con una ligera cohesión aparente. En estado natural, estos suelos pueden soportar cargas moderadas y sufrir pequeños asentamientos, pero en presencia de agua, se pierde la cohesión en el suelo y ocurren asentamientos de gran magnitud bajo carga constante. En el caso de los Loes, se puede comprobar si es un suelo colapsable realizando la prueba del ácido, con el fin de detectar la presencia de carbonato de calcio. Esta prueba se realiza adicionando al suelo, algunas gotas de solución de acido clorhídrico (3 partes de agua por 1 parte de ácido). La cantidad relativa de ácido clorhídrico en el suelo, puede determinarse por la cantidad de efervescencia que ocurre (reacción de burbujeo). En suelos muy secos no-calcáreos se puede confundir la efervescencia con la absorción del ácido en el suelo, por lo que es conveniente humedecer la muestra antes de aplicar el ácido (U.S. Army Corps, EM 1110-1-1804).

32

La identificación de suelos colapsables en campo es difícil en zonas planas. Sin embargo, en zonas de laderas se pueden identificar rasgos propios de movimientos de ladera asociados con el fenómeno de colapso. A continuación mencionan algunas de estos indicios (González-De Vallejo, 2004): •

Presencia de erosión y de acumulación de material en las laderas, que se visualizan como anomalías en la pendiente.

•

Identificación de deslizamientos antiguos en la zona.

•

Presencia de grietas y escarpes.

•

Daños en viviendas, construcciones, alcantarillas, cunetas, vías aledañas, etc.

•

Formas atípicas en la vegetación existente, como inclinación de los troncos de los árboles, desprendimiento de las raíces y zonas de pérdida de vegetación.

•

Investigación con la comunidad sobre antecedentes del fenómeno en la zona.

La presencia de suelos colapsables esta asociada a la inestabilidad de laderas, cuyo factor detonante es el cambio de humedad. En este caso, la mejor manera de reconocerlos, dada la amplia gama de suelos susceptibles al colapso, es buscando en campo los signos de movimiento en el terreno activos o inactivos. En el caso de proyectos en zonas planas, los suelos colapsables no se pueden detectar fácilmente con una inspección visual. Por este motivo, se debe realizar una investigación de campo con el apoyo de la comunidad, para encontrar antecedentes en la zona de problemas de colapso.

1.2 EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS 1.2.1 Programa de exploración geotécnica El programa de exploración geotécnica deberá proporcionar información sobre las condiciones estratigráficas del sitio en estudio y consta de 3 etapas. La primera, estudios preliminares, deberá permitir la definición tentativa de los problemas geotécnicos del sitio; la segunda, la recopilación de información, lo que servirá para fundamentar la tercera etapa de investigación de detalle; que incluye la realización de sondeos y pruebas de campo y laboratorio.

1.2.1.1 Estudios preliminares Consiste esencialmente en analizar la información existente de las áreas del proyecto incluye visitas de reconocimiento del sitio, a fin de contar con las observaciones y datos que permitan definir los lugares más adecuados para la construcción de la obra, con base en las condiciones geológicas y geotécnicas de la zona (CFE, 1979). A continuación se enlistan algunos puntos que usualmente se desarrollan en la investigación preliminar:

33

• • •

Recopilación de información geológica y geotécnica del sitio en estudio. Planos topográficos y planos del proyecto preliminar. Inspección del sitio por el especialista en geotecnia encargado del estudio acompañado del ingeniero geólogo asesor, para verificar o ampliar la información disponible. Planteamiento del programa de trabajos de campo necesarios para definir: -Estratigrafía general del sitio. -Clasificación geológica y geotécnica de cada estrato de suelo o de roca. -En rocas, las características de las discontinuidades naturales relativas a: orientación e inclinación de planos de estratificación o de flujo; orientación e inclinación de planos de fisuramiento; dimensiones de las rocas, presencia de las fallas geológicas, de zonas de contacto entre deformaciones rocosas, de zonas de alteración de las rocas y cavernas naturales o artificiales.

• •

Ejecución de trabajos exploratorios de campo. Presentación de un informe técnico que debe contener: -La descripción detallada de los trabajos realizados. -El análisis de la información geológica y geotécnica obtenida. -Las conclusiones de los análisis referentes a las características geológicas y geotécnicas del sitio estudiado. -La identificación de los problemas de diseño y construcción previsibles en función del análisis preliminar de la información geotécnica. -El programa de estudios adicionales, de campo y laboratorio, necesarios para medir, con precisión adecuada, las propiedades mecánicas e hidráulicas de los distintos suelos y rocas que serán afectados por la cimentación.

1.2.1.1.1

Recopilación de la Información

Es necesario obtener la mayor cantidad de información, derivada de estudios desarrollados en el área o cercana a ella, recurriendo a las dependencias u organismos que disponga de ella; ésta debe ser analizada y sintetizada para obtener datos generales relacionados con la topografía, hidrología, estratigrafía y problemas geotécnicos característicos de la región. El estudio geotécnico se inicia con la recopilación de la información disponible sobre topografía, geología y comportamiento de estructuras construidas en predios y zonas cercanas a las del proyecto. Conviene reunir planos topográficos, geológicos y edafológicos, cartas de uso potencial del subsuelo, así como datos de la estratigrafía y características estructurales de la región. La información que se reúna se estudiará para identificar, de manera preliminar, las condiciones geológicas y geotécnicas que prevalecen en el sitio de estudio. Parte de esta información puede consultarse en algunas instituciones, las cuales la distribuyen y publican; En la tabla B.24 se presentan algunas de estas instituciones.

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Tabla B.24. Información a consultar durante los estudios preliminares. Tipo Topografía

Geología

Geotécnia

Información

Institución

-Mapas topográficos -Fotografías aéreas -Mapas geológicos -Informes y memorias geológicas -Mapas edafológicos -Fotografías aéreas

-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática, (INEGI). -Instituto de Geología UNAM.

-Publicaciones geotécnicas -Informes geotécnicos -Mapas geotécnicos

Hidrogeología e Hidrológica

-Mapas Hidrogeológicos. -Mapas topográficos. -Fotografías aéreas. -Datos de pozos y sondeos.

Datos Meteorológicos

-Registros pluviométricos temperaturas.

Datos Sísmicos

y

-Datos de Terremotos y normas sismorresistentes.

-Mapas de rocas industriales. -Registros de minas y canteras. -Mapas e inventarios. Minería y Carreteras

de

-Instituto de Ingeniería de la UNAM (IIUNAM). -Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (SMMS). -Centro Nacional de prevención de Desastres (CENAPRED). -Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*. -Secretaria de Comunicación y Transporte (SCT). -Petróleos Mexicanos, PEMEX. -Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Comisión Federal de Electricidad (CFE). -Colegio de Ingenieros Civiles de México (CICM). -Reglamento de construcciones para el Distrito Federal (RCDF). -Secretaría de Desarrollo Urbano y Vialidad (SEDUVI). - Secretaria de Energía (SENER). -Comisión Nacional del Agua (CNA). -Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). - Secretaria de Energía (SENER). -Instituto de Geofísica, UNAM. -Servicio Meteorológico Nacional (SMN). -Centro de Ciencias de la Atmósfera (CCA). -Instituto de Ingeniería UNAM -Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. -Instituto de Geofísica UNAM. -Servicio Sismológico Nacional. -Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica. -Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Comisión de Vialidad y Transporte Urbano (COVITUR)*. -Secretaria de Comunicación y Transporte (SCT). -Secretaria de Transporte y Vialidad (SETRAVI).

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Tipo

Información

Usos de suelo

-Planes de ordenación y usos del suelo. -Mapas Topográficos. -Fotografías aéreas.

Construcciones y servicios existentes

-Mapas Topográficos. -Fotografías aéreas.

Institución - Secretaria de Energía (SENER). -Cámara de la Industria Minera -Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).

-Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI). -Delegaciones. -Ayuntamientos.

*Ya no existe esta dependencia, únicamente se localiza información impresa.

1.2.1.2 Reconocimiento de campo. El reconocimiento es la inspección del sitio que permite evaluar la información recopilada previamente por el ingeniero con conocimientos en mecánica de suelos en compañía de un especialista en geología y completarla con observaciones de campo para determinar la factibilidad de construcción de alguna obra civil y fundamentar el programa detallado de exploración. El alcance de este primer contacto físico con la región dependerá de la importancia de la obra y las características del subsuelo. Algunas veces basta este conocimiento para desechar el sitio previamente elegido. El reconocimiento de campo deberá proporcionar información acerca de la accesibilidad, recursos humanos y materiales del sitio, permitir conocer el ambiente geológico general, identificar las estructuras geológicas (localizar fallas, fracturas, fisuras y rellenos) y clasificar a los suelos superficiales, conocer la geomorfología, los procesos erosivos actuales en el sitio, el tipo de drenaje superficial y subterráneo y el espesor del suelo y finalmente proponer y/o revisar el programa de exploración, el cual podría estar integrado por una investigación preliminar y posteriormente una investigación de detalle cómo se muestra en la figura B.14.

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Recopilación de la información disponible del sitio Interpretación de fotografías aéreas de la zona ESTUDIO PRELIMINAR Recorrido de campo Información fotografíca

Interpretación geológica del sitio LEVANTAMIENTO GEOLÓGICO

Reconocimiento de discontinuidades Identificación de fenómenos geodinámicos

EXPLORACIÓN GEOFÍSICA

Método geosísmico de refracción Método de resístividad eléctrica Pruebas de penetración

ESTUDIOS DE DETALLE EXPLORACIÓN, MUESTREO Y PRUEBAS DE CAMPO

Muestreo de suelos y rocas Pruebas de resistencia Pruebas de permeabilidad

PRUEBAS DE LABORATORIO

Propiedades índice Propiedades mecánicas Indicadores de nivel freático Piezómetros

INSTRUMENTACIÓN

DE CAMPO

Bancos de nivel Puntos de referencia superficiales

Figura B.14. Programa de Investigación Geotécnica (Enrique Santoyo Villa, 2001).

1.2.1.3 Estudios de detalle Los estudios detallados para un proyecto, se deberán hacer principalmente durante la etapa de exploración. Su uso no queda restringido a esta parte de la investigación de un sitio para lo cual deberá considerar la aplicación de las técnicas que se mencionan más adelante y fundamentar su propuesta en la información de la investigación preliminar, resultando útiles tanto en la etapa del anteproyecto como en las de construcción y operación de la obra. En términos generales, los procedimientos de estudio detallado de un sitio, se dividen en dos tipos: Métodos indirectos y directos. Con base en los planteamientos de las alternativas preliminares se puede definir la información de campo y laboratorio adicional, necesarias para determinar las propiedades

37

mecánicas de cada estrato, que serán la base del análisis cualitativo del diseño óptimo. Esta información adicional podrá requerir la obtención de las muestras inalteradas del subsuelo y/o la ejecución de pruebas decampo, como parte de la etapa final de los estudios de campo. Para verificar y complementar los resultados de la etapa preliminar del estudio geotécnico es necesario obtener muestras representativas de cada estrato de roca o suelo, con las cuales se podrá definir la estructura y consistencia o capacidad naturales de sus materiales constitutivos.

1.2.2 Supervisión de los trabajos de exploración. La exploración geotécnica debe realizarse bajo la dirección de un ingeniero capacitado en la planeación y ejecución de los trabajos. Deberá organizar los trabajos y recopilar la información que permita definir confiablemente las características del subsuelo. La profundidad a la que debe de ordenar se hagan los sondeos depende de las características de la obra y de las condiciones de cada sitio. Un criterio complementario consiste en llevarlo hasta donde el incremento de esfuerzos verticales sea de 10 por ciento del esfuerzo vertical inicial, salvo que se encuentre roca. Antes de iniciar los trabajos el ingeniero supervisor debe de informarse sobre el tipo de estructura que se construirá, las condiciones geológicas y probables tipos de suelos que encontrará en el sitio, debe conocer las condiciones de trabajo que le impondrían a los suelos. Lo anterior le permitirá juzgar si la información que está obteniendo es la adecuada; en caso contrario, deberá proponer modificaciones a las técnicas de muestreo y programa de trabajo. El ingeniero supervisor es el responsable de verificar que con la exploración se obtengan las muestras adecuadas y la información geotécnica necesaria para resolver el problema. A continuación se resumen las actividades en la supervisión de campo: a) Decidir qué tipo de muestreador debe utilizarse en cada etapa de un sondeo, basándose en la información del numeral 1.2.6. b) Definir la frecuencia con que se deben tomar las muestras. En general el muestreo debe ser casi continuo en los primeros metros y en los estratos poco uniformes que además se consideren problemáticos. Se reducirá el número de muestras en estratos más uniformes y más profundos. c) Supervisar y revisar la calidad del lodo de perforación (numeral 1.2.4.5.). d) Clasificar los suelos y rocas de acuerdo al numeral 1.1. e) Elaborar el perfil estratigráfico preliminar del sondeo con base en la clasificación de las muestras de acuerdo a la técnica de perforación empleada. f) Controlar cuidadosamente, el manejo, protección y conservación de las muestras, según el numeral 1.2.5. g) Recopilar toda la información generada durante los trabajos de campo. En la tabla B.25 se proporciona un resumen de los métodos de perforación y muestro que pueden aplicarse a los suelos que se presentan arriba y abajo del nivel freático, jerarquizando su aplicabilidad.

38

h) El ingeniero supervisor será el responsable de verificar que la calidad de las muestras que se obtengan sea aceptable; debe también recopilar la información de los sondeos y llenar los registros de campo. Para facilitar esta labor puede adoptar las abreviaturas y símbolos de las tablas B.26 y B.27. Finalmente, debe presentarse la localización de los sondeos en un plano que incluya las trazas de las estructuras que se construirán, las cargas que transmiten y los asentamientos permisibles.

1.2.3 Técnicas de Perforación Las técnicas para realizar perforaciones se presentan en la tabla B.28, en la cual se observa que en la elección de la técnica influye el tipo de suelo, la posición del nivel freático y la posición que debe alcanzar el sondeo. Para introducir los muestreadores a la profundidad donde interesa obtener muestras alteradas o inalteradas, se debe realizar perforaciones de acceso, salvo que se utilice muestreadores Denison o Pitcher de una manera continua y aún en ese caso conviene abocardar (ensanchar la boca de un tubo o de un agujero) la perforación a un diámetro mayor. El diámetro máximo de perforación para sondeos de exploración depende del diámetro de las barrenas y el mínimo aquel en el que pueda penetrar libremente el muestreador que se utilice. Existen técnicas especiales en las que se emplean diámetros mayores pero han sido poco usadas en nuestro país (CFE, 1979).

1.2.3.1 Pozos a cielo abierto, cortes y zanjas. En ocasiones es posible aprovechar excavaciones de acceso a la zona de la que interesa extraer muestras inalteradas o alteradas y que además permiten observar la estratigrafía y materiales del sitio. En caso de recurrir a los pozos a cielo abierto, su profundidad generalmente no es mayor a 10 m, excavados en sección cuadrada de 1.5 m de lado. Los cortes en laderas se utilizan poco, porque se requiere mover volúmenes grandes de material. Finalmente, las zanjas quedan limitadas a problemas cuya influencia sea superficial. Los pozos a cielo abierto excavados en materiales poco estables, deberán ademarse con marcos estructurales de madera. Cuando se excaven más abajo del nivel freático del sitio deberán instalarse un sistema de bombeo para extraer agua. Esta técnica puede aplicarse a todos los tipos de suelo, aunque resulte más eficiente en suelos cohesivos y presenta mayores dificultades en los granulares (CFE, 1979).

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Tabla B.25. Criterio de selección de métodos de perforación, exploración y muestreo.

A

Suelos cohesivos duros o muy duros

R

A

Arenas sueltas

A

I

Arenas muy compactas

A R I A

Suelos cohesivos arriba del NAF

A

Rotación con lodo y ademe espiral

Adecuado Inadecuado

Lavado y rotación con agua o lodo ademe especial

A I

R

A

R

I

R

Puede no requerir ademe

A

Abajo el NAF

A Abajo el NAF

R

A A

A

A

A I

A I

I

I

R

I

I

A I

I

I Pozo a cielo abierto (zanja)

Nivel de aguas freaticas

A

A

R

I

I

Rocas y suelos muy duros

Recomendable

I

A

Barril N serie I

A

R

I

A

Suelos con estratos de diferente dureza

Suelos organicos bajo NAF

A

A

Picher

R

A

Tubo rotario dentado

Suelos expansivos

I

A

Se requiere ademe

Barril Denison

I

A

Shelby

Gravas

R

I

Piston libre

Suelos cohesivos medios

NAF

I

A

OBSERVACIONES

Muestras cubicas (labradas)

I

Holandes y sermes

R

SONDEO INALTERADOS

SONDEO DE EXPLORACIÓN

Estandar

Suelos cohesivos muy blandos

MÉTODO DE PERFORACIÓN

Rotación y ademe espiral

TIPO DE SUELO

40

Tabla B.26. Símbolos complementarios para formular los registros en campo. SUELOS Arcilla Limo Arena Grava Boleos Relleno Raíces Turba Conchitas y fósiles

VARIOS NF

Nivel freático Superficie del terreno Concreto Diámetro

φ

Tabla B.27. Abreviaturas complementarias para formular los registros en campo. ABREVIATURAS

SIGNIFICADO

SUCS

Sistema Unificado de Clasificación de los suelos

G

Grava

S

Arena

M

Limo

C

Arcilla

O PT

Suelo Orgánico

W

Turba

P

Bien graduado

L

Mal graduado

H

Alta plasticidad

SPT N NF PCA

Prueba de penetración estándar Numero de golpes en SPT Nivel freático Pozo a cielo abierto

BT

Broca ticónica

DG

Broca tipo Drag

F-3

Muestra alterada en frasco número 3

B-4

Muestra alterada en bolsa número 4

41

F-2L

Muestra lavada en frasco número 2

MI-8

Muestra labrada in situ número 8

TS-12

Tubo Shelby número 12

TD-9

Tubo Denison número 9

TP-11

Tubo Pitcher número 11

TPL-7

Tubo pistón libre número 7

TR-5

Tubo rotatorio dentado número 5

NXL-6

Muestra de roca tomada con barril N serie L numero 6

Rec 45/75

45 cm., de recuperación en 75 cm., muestreados

50/10

50 golpes en 10 cm., en el SPT

EW, AW, BW, NW

Barras de perforación

NW,HW

Ademes

BXL,NXL

Barril muestreadotes serie L

PA

Perdida de perforación

agua

o

lodo

de

Tabla B.28. Técnicas recomendables de perforación. TÉCNICA

SUELO EN EL QUE SE APLICA

OBSERVACIONES

Pozos a cielo abierto

Todos

Aplicable solo en sondeos someros

Con agua o lodo

Cohesivos blandos y arenas con poca grava Todos

Seco

Todos

Lavado con agua o lodo Rotación

Aplicable abajo del Nivel freático Aplicable abajo del Nivel freático Aplicable arriba y abajo del Nivel freático

1.2.3.1.1 Equipo Las excavaciones podrán realizarse utilizando herramientas de mano como palas, picos y barretas. Para sacar el material de los pozos se utiliza un bote con cable de Manila que jala manualmente o con un pequeño malacate. Los pozos se pueden excavar con máquinas rotatorias capaces de hacer perforaciones de 0.8 a 1.0 m de diámetro; en cuanto a las zanjas, hacerlas con máquinas retroexcavadoras resulta eficiente. Si los pozos a cielo abierto requieren de ademe, lo práctico suele ser hacerlos con marcos de madera. La técnica de perforación de barrenos exploratorios se debe elegir teniendo presente que la realización de sondeos depende de las condiciones de subsuelo. Es decir, se debe determinar el tipo y las características generales de los suelos.

42

En los suelos blandos es fácil inducir fisuramiento y remoldeo en el fondo de la perforación, lo que hace difícil obtener muestras inalteradas. Posteriormente se describen algunas técnicas para la perforación en suelos blandos. En los suelos duros bajo del nivel freático se puede recurrir a la perforación por rotación con broca escalonada (tipo drag) y aún con la broca tricónica. Como fluido de perforación se puede utilizar agua o lodo bentonítico. En suelos duros arriba del nivel freático debe hacerse sin agua o lodo, porque son susceptibles a sufrir cambios en sus propiedades mecánicas como consecuencia del humedecimiento que les puede inducir. En estos suelos sólo podrá usarse lodo si se admite cierto nivel de alteración en las muestras aun extrayéndolas del muestreador inmediatamente y removiendo el perímetro alterado.

1.2.3.1.2 Operación El ademado de pozos a cielo abierto se hará como se muestra en la figura B.15, y si se considera conveniente se puede hacer el cálculo estructural con las distribuciones de esfuerzo de la figura B.16. En los pozos excavados en arcillas se puede alcanzar una profundidad de Zmax sin necesidad de ademar sus paredes, donde:

Z max =

4C γ Ka

(Ecuación B.I.1)

Donde: Zmax

profundidad que se puede excavar sin ademe, en (cm).

C

cohesión del suelo, en (kg/cm²).

γ

Peso volumétrico del suelo, en (kg/cm³).

Ka

coeficiente de empuje activo (Ka = 1).

En la figura B.17, se presenta el formato de campo para pozos a cielo abierto.

1.2.3.2 Perforación por lavado La perforación se hace con trépano o cincel de percusión que simultáneamente a los impactos inyecta un fluido de perforación que erosiona y arrastra a la superficie el material cortado. Esta técnica es aplicable en suelos cohesivos blandos y suelos granulares de compacidad media con bajo contenido de gravas localizadas abajo del nivel freático. Es un método poco eficiente, pero la sencillez y economía del equipo lo hace útil.

1.2.3.2.1 Equipo. El equipo necesario para aplicar esta técnica consiste en un malacate de fricción para cable Manila de 500 kg, una bomba para lodo de 45 l/min de gasto a 5 kg/cm² de presión con accesorios, tripie con polea, barras y trépanos de perforación y ademe metálico.

43

El método de perforación por lavado es el que se usa con más frecuencia en la exploración de suelos ya que el equipo empleado es ligero y puede transportarse a sitios de difícil acceso (figura B.18).

1.2.3.2.2 Operación La operación consiste en levantar la columna de barras, con el trépano en la punta, de 0.5 a 1.0 m y dejarla caer libremente con una frecuencia hasta 60 golpes por minuto, girando manualmente la tubería en cada golpe para que cambie la posición del trépano y rompa con más facilidad. La bomba inyecta agua o lodo de perforación que arrastra a la superficie el material cortado; adicionalmente el fluido al salir del chiflón de descarga, erosiona y limpia la zona en que golpea el trépano. El lodo de perforación sirve también para estabilizar las paredes del sondeo, a diferencia del agua, cuyo uso suele obligar ademe metálico para evitar que se desprenda material de las paredes. Debe vigilarse que la capacidad erosiva del chiflón no altere la zona en que se tomará la muestra. Durante la perforación el operador debe vigilar la coloración del agua o el contenido de sólidos del lodo, así como la facilidad de penetración del trépano para advertir los cambios del material en el subsuelo. La profundidad máxima que puede alcanzarse con esta técnica es del orden de 30 m.

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Larguero Esquinero 5 a 7.5 cm 1.50 15 a 20 cm

Tablestacado 1.50

15 a 20 cm

Larguero

15 a 25 cm Esquinero Larguero

1.5 a 2.0 cm

Decrementándose con la profundidad Tablestacado

Cuñas donde se requieran

Figura B.15. Ademado para pozos a cielo abierto.

a

a

EXCAVACIÓN EN ARCILLA 0.2H

b

a, b, c, d es la distribución de presión.

Cohesión C

La forma del diagrama y la magnitud de las presiones

b H

0.6H PH

EXCAVACIÓN ENEN ARENA

H

PH R c

c 0.2H

d

σH

e

B

A

d

σH

e

H

a, b, c, d es la distribución de presión en arena densa.

PH = (0.64)K AγH 2COSδ , actuando 0.5H de la base de corte. PH = (0.72 )K γHCOSδ , actuando 0.48H de la base de corte.

45

2