Exploracion geotecnica
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ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS
EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA
Dr. ZENON AGUILAR BARDALES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de IngenierFacultad de Ingenieríía Civila Civil
CENTRO PERUANO JAPONCENTRO PERUANO JAPONÉÉS DE INVESTIGACIONESS DE INVESTIGACIONESSSÍÍSMICAS Y MITIGACISMICAS Y MITIGACIÓÓN DE DESASTRES N DE DESASTRES -- CISMIDCISMID
1
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN GENERAL
METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO
EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO
EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA
ENSAYOS DE LABORATORIO
CONCLUSIONES
2
3
4
5
6
2. METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO
- Reconocimiento geológico y de sitio: interpretación del origen y formación de suelos, evaluación geológica, interpretación de posibles condiciones del subsuelo.
- Planificación de la exploración y muestreo: permite ubicar y cuantificar el número de sondajes y optimizar el muestreo.
- Recopilación de información: hidrología, geología, sismicidad, topografía, etc.
- Ejecución de ensayos de laboratorio: para la determinación de los parámetros de los materiales.
- Ejecución de la exploración y muestreo: ejecución de sondajes y obtención de muestras disturbadas e inalteradas.
- Interpretación de la investigación geotécnica: evaluación de los datos de campo y laboratorio.
- Análisis y diseño geotécnico
3. EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO
• Exploración a través de pozos abiertos y posteadora
• Exploración con ensayos de penetración estándar (SPT)
• Exploración con ensayos de penetración cono holandés (CPT)
EXPLORACIEXPLORACIÓÓN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON CALICATAS Y POSTEADORACALICATAS Y POSTEADORA
- Excavación manual con pico y lampa
- Excavación con equipo mecánico
EXPLORACIÓN DIRECTA CON CALICATAS
Desventaja:
- Profundidad limitada
- Paredes inestables ante la presencia de agua
Ventaja:
- Extracción de muestras disturbadas e inalteradas
- Visualización directa de la estratigrafia
- Posteadora manual
- Posteadora mecánica
EXPLORACIÓN DIRECTA CON POSTEADORA
Equipo:Tubería, una T y en su parte inferior una mecha
Ventaja:- Auscultación rápida del terreno
Desventaja:- No se extraen muestras inalteradas
- Imposible de realizar en arenas limpias secas o saturadas
10 cm
Extensión
POSTEADORO 3" - 8"
Post hole Digger
O 2" - 3 1/2"
O 2" - 3 1/2" O 2" - 5 1/2"
EXPLORACIEXPLORACIÓÓN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIENSAYOS DE PENETRACIÓÓN N
ESTESTÁÁNDAR NDAR -- (SPT)(SPT)
A) GENERALIDADES
Procedimiento ampliamente utilizado para determinar características de resistencia y compresibilidad de suelos.
B) PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO
Ejecución de la perforación
- con barrenos (posteadora)
- a rotación
- por lavado “wash boring”
Ejecución del muestreo
Se realiza con un muestreador de Caña Partida
Trípode de tubosφ 2 1/2”
Manguera
Mango para rotaciónparcial de la barra
Terreno Natural
Soga φ 1 ”
Depósito de agua de lavado
Barra deperforación
Cincel
Motor con cajareductora Forro
Bomba
Polea para la soga
Elevador
CINCEL RECTO
BARRA CONUNION
CINCEL DE CRUZ
SOSTENEDOR DE BARRAS
ELEVADOR
PERFORACIÓN POR LAVADO “WASH BORING”
MartilloGuía de hinca
Cabezal de hinca
Trípode de Tubo de diámetro φ 2 1/2”
Φ 1 1/2”
Cuchara
Cadena de fierro
Guía
CUCHARAΦ 2” - 4 1/2”
MARTILLO
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - SPT
C) REGISTRO DE PENETRACIÓN
Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar los últimos 30 cm de un total de 45 cm.
D) INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
La resistencia a la penetración es un indicador de la compacidad de suelos arenosos y un indicador de la consistencia y resistencia de suelos cohesivos.
Compacidad Relativa de Arenas
Número de Golpes Compacidad Relativa
0 – 4 Muy suelta
5 - 10 Suelta
11 - 30 Medianamente Compacta
31 - 50 Compacta
> 50 Muy Compacta
Consistencia y Resistencia de Suelos Cohesivos
Número deGolpes Consistencia
Resistencia a laCompresión
Simple, qu (kg/cm2)
< 2 Muy Blanda < 0.25
2 - 4 Blanda 0.25 - 0.50
4 - 8 Media 0.50 - 1.00
8 - 15 Firme 1.00 - 2.00
15 - 30 Muy Firme 2.00 - 4.00
> 30 Dura > 4.00
Su (tsf)
25
20
15
10
5
1.00 1.5 2.0 2.5 3.0 4.00.5 3.5
TERZAGHIy PECK
Arcilla deplasticidad media
Arcilla dealta plasticidad
SOWERSarcilla debaja plasticidad
NSPT
27
Correlación de N (SPT) con la resistencia cortante no drenada (Su) de suelos cohesivos de diferentes plasticidades(ref. NAVFAC, 1971)
Rígida
30
16
2
32
8
4
Dura
Muy Blanda
Firme
Blanda
MuyDura
EXPLORACIEXPLORACIÓÓN DE CAMPO CON N DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIENSAYOS DE PENETRACIÓÓN CONO N CONO
HOLANDHOLANDÉÉS S -- (CPT)(CPT)
A) GENERALIDADES
- Usado en Europa desde 1920
- En Estados Unidos desde 1960
- En el Perú desde 1984
B) DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
- Equipo de penetración estática
- Tubería de acero de 1 m y barras sólidas interiores concéntricas (φext=3.6 cm y φ int= 1.6 cm)
- Punta Cónica
Se transmite la fuerza a través de las barras interiores y esta al cono, midiendo cada 20 cm la resistencia por punta y/o fricción.
C) PUNTA DE PENETRACIÓN
Punta DELFT
- Punta cónica de 3.6 cm de diámetro y 10 cm2 de área
- Se encuentra montada en el extremo inferior de una funda deslizante de 9.9 cm de longitud
- El cono penetra debido a la fuerza axial de un vástago
- Se mide la presión que transmite en la punta
Punta BEGEMANN- Punta cónica de 3.57 cm. de diámetro y 10 cm2 de área
- Se encuentra montado en un pieza cilíndrica deslizante de 11.1 cm
- Posee una funda de 13.3 cm de longitud y 3.6 cm de diámetro
- Se mide la presión por punta y fricción
3
Punta Cónica Copla
Funda cilíndrica Barra sólida
Funda de fricción
23 4 5
B
1
Φ 35.7 m m
60°
Φ 23 m mΦ 20 m m
Φ15
133 m m 47 m m
Φ12.5 m m
Φ 30 m m
A
Φ 32.5 m m
B
1
5
4 POSICION CERRADA
POSICION EXTENDIDA
A
Φ 36
265 m m
69 m m
2
ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉSEsquema de Punta Cónica
D) DETERMINACIÓN LA RESISTENCIA
qc =
donde :Qc = fuerza para hincar el cono en kgAc = área transversal del conoqc = resistencia de la punta
QC
Αc
FC
Αc
fs =
donde :Fc = fuerza para hincar el cono y la funda en kgAS = área lateral de la fundafS = resistencia por fricción
qs
fs
20 30 5010 60400
3
5
1
6
70.6
4
1.20.2 0.4 0.80 1.0
2
Prof
undi
dad,
m
GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA
Resistencia de punta qc, kg/cm2
Resistencia de fricción fs, kg/cm2
E) CORRELACION CON EL ENSAYOS DE PENETRACION ESTANDAR
Tipos de Suelos qc/N
Limos, limos arenosos, mezclas de limoarena-arena ligeramente cohesiva
2.0
Arenas limpias a medias y arenasligeramente limosa
3.5
Arenas gruesas y arenas con algo degrava
5
Gravas arenosas y gruesas 6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
CISMID - LABORATORIO GEOTECNICOREGISTRO DE SONDAJES
SolicitadoProyectoUbicación Cota Superficial
Operador
Revisado
Fecha Profundidad N.F.(m)Profundidad Total (m)
Ensayo de Penetración
Gráfica de N
Estándar
N° golpes/30 cm.
::::
::
:
:
:
4. MÉTODOS DE EXPLORACIÓN GEOFÍSICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de IngenierFacultad de Ingenieríía Civila Civil
CENTRO PERUANO JAPONCENTRO PERUANO JAPONÉÉS DE INVESTIGACIONESS DE INVESTIGACIONESSSÍÍSMICAS Y MITIGACISMICAS Y MITIGACIÓÓN DE DESASTRES N DE DESASTRES -- CISMIDCISMID
EXPLORACIEXPLORACIÓÓNNGEOFGEOFÍÍSICASICA
GRAVIMGRAVIMÉÉTRICOTRICO
MAGNETOMMAGNETOMÉÉTRICOTRICO
SISMOLSISMOLÓÓGICOGICO
ELELÉÉCTRICOCTRICO
GEOTGEOTÉÉRMICORMICO
RADIOACTIVORADIOACTIVO
DIRECTA
REFLEJADA
V1
V2
i r
REFRACTADA
icic
REFLEXIÓN SÍSMICA
REFRACCIÓN SÍSMICA
MMéétodos Geoftodos Geofíísicos Ssicos Síísmicossmicos
Ensayos de Ensayos de ReflexiReflexióónn y Refracciy Refraccióón Sn Síísmicasmica
Ensayos Ensayos downdown holehole, , up up holehole y cross y cross holehole
Ensayos de vibraciEnsayos de vibracióón superficial (ondas n superficial (ondas RayleighRayleigh))
Ensayo con el Cono SEnsayo con el Cono Síísmicosmico
Ensayo con la Sonda de SuspensiEnsayo con la Sonda de Suspensióónn
MediciMedicióón de n de MicrotrepidacionesMicrotrepidaciones
MMÉÉTODO DE REFRACCITODO DE REFRACCIÓÓNNSSÍÍSMICASMICA
ENSAYO DE REFRACCIENSAYO DE REFRACCIÓÓN SN SÍÍSMICASMICA
•• DeterminaciDeterminacióón de Perfiles Sn de Perfiles Síísmicos del Subsuelosmicos del Subsuelo
•• MediciMedicióón de Velocidades de Propagacin de Velocidades de Propagacióón de las Ondas n de las Ondas
P y en algunos casos de las Ondas S.P y en algunos casos de las Ondas S.
•• DeterminaciDeterminacióón de los Parn de los Paráámetros Dinmetros Dináámicos del Suelomicos del Suelo
Ensayo de refracción sísmica
Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos (Ensamblado final)
Geófono vertical y cable conductor de señales para realizar ensayos de refracción sísmica y ensayos en pozo abierto de poca profundidad
FUNDAMENTOFUNDAMENTOTETEÓÓRICORICO
DisparoFrente de
Ondast1t2
t3t4
t5t6t7t8
Xc
Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de Dos Estratos a tiempos t1, t2,...
Ley de Snell• Cuando la onda sísmica alcanza la frontera
entre dos materiales de distinta velocidad sísmica, las ondas se reflejan y se refractan.
• Cuando el ángulo de incidencia iguala al ángulo crítico en la frontera, la onda refractada se mueve a lo largo de la frontera entre los dos materiales, transmitiendo energía de nuevo a la superficie.
• Esta frontera es llamada un refractor.
Refracción de Trayectoria de los Rayos a Través de una Frontera entre Dos Medios Elásticos
α
Estrato 1
Velocidad = V1
Velocidad = V2
Estrato 2
Angulo Críticode Incidencia
r
α =
Fuente
90°
i
sen i V1sen r V2
=
DIRECTA
REFLEJADA
V1
V2
i r
REFRACTADA
icic
• Parámetros:
- Tiempo de inicio del movimiento sísmico (tiempo cero)
- Distancia entre el punto de impacto y el sensor
- Primer arribo de energía sísmica que llega a los sensores
PROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTODEL DEL
ENSAYOENSAYO
ENSAYO DE REFRACCIENSAYO DE REFRACCIÓÓN SISMICAN SISMICA
PLANEACIÓN
OPERACIÓN YOBSERVACIÓN
DE CAMPOPREPARACIONDE LOS DATOS
INTERPRETACION DE RESULTADOS
OPERACIÓN Y OBSERVACIÓN DE CAMPODETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE TENDIDO
DETERMINACION DE LA GEOMETRÍA DE LOS PUNTOS DE IMPACTO
L
hL > 4h - 3h
1
shot shot shot shot shotshot
L/2 L/2 L/2 L/2
L
e : espaciamiento entre geófonos
shot
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
INTERPRETACIINTERPRETACIÓÓNNDE DE
RESULTADOSRESULTADOS
Caso Simple de Dos Estratos con Límites Planos y Paralelos Curva Tiempo - Distancia Correspondiente
D1 =XC
22V 1V-
V2V + 1
DISTANCIATI
EM
PO
TIEMPO DEINTERSECCION,
DISTANCIA CRITICA, X C
v1
1
2v1
Ti
DISPARO
E
F G
H
D 1α
SIN = αv1
2v(
1v
2v
t
X
APLICACIONESAPLICACIONES
Determinación de la superficie de deslizamiento
PERFIL ESTRATIGRAFICOPuente Santo Cristo : Línea 01-01
1520
1530
1540
1550
1560
1570
1580
1590
1600
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250
Distancia (m)
Cota
(m.s.
n.m
) shot
terreno
estrato 1
estrato 2
01 02 03 07 04 06 05
roca poco alterada
roca fracturada o muy alterada
material aluvional
VENTAJAS
• Permite cubrir rápidamente grandes áreas a un costocomparativamente bajo.
• No altera ni modifica las condiciones y propiedadesnaturales de las rocas y suelos.
• El ensayo no es estorbado por boleos, cantos rodadosni gravas gruesas.
VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGÚN LA NORMA ASTM-D5777
Descripciónpie/s m/s
Velocidad Vp
Suelo intemperizado
Grava o arena seca
Arena saturada
Arcilla saturada
Agua
Agua de mar
Arenisca
Esquisto, arcilla esquistosa
Tiza
Caliza
Granito
Roca metamórfica
800 a 2000
1500 a 3000
4000 a 6000
3000 a 9000
4700 a 5500
4800 a 5000
6000 a 13000
9000 a 14000
6000 a 13000
7000 a 20000
15000 a 19000
10000 a 23000
240 a 610
460 a 915
1220 a 1830
910 a 2750
1430 a 1665
1460 a 1525
1830 a 3960
2750 a 4270
1830 a 3960
2134 a 6100
4575 a 5800
3050 a 7000
ENSAYO ENSAYO DOWN HOLEDOWN HOLE
Esquema del Ensayo Down HoleCILINDRODE GAS
REGULADOR
AMPLIFICADOR
MONITOR
MONITORDE DATOS
CARGA
TABLA
ONDAS S
TRANSDUCTOR DE 3
COMPONENTES
TUBO DECAUCHO
ONDAS P
POZO
ESTACA
MARTILLO
Registros de Ondas P
Tiempo (Seg.)
(Ondas P)
0. 00 0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 10 0. 12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
15
17
18
19
2020.320.8
Prof
undi
dad
(m)
Tiempo (Seg.)
0. 00 0. 04 0. 08 0. 12 0. 16 0. 20 0. 2 4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
15
17
18
19
2020.320.8
Prof
undi
dad
(m)
(Ondas S)
Registros de Ondas S
Determinación de Propiedades Dinámicas de los Materiales.
ρ = 0.2 Vp0.25
ν = (Vp /Vs )2 - 2
2 ((Vp /Vs )2 - 1)
Ed = 2 (1 + ν )G
Gd = ρ Vs2
Donde:ρ = densidad volumétrica.ν = relación de Poisson.Gd = módulo de corte.Ed = módulo de Young.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tiempo de Viaje ( x 10 ) sec.-2
m Tipode
SueloValor de N
10 20
580 210
100140
120
195
150
155msecVs =
1.35 mm
Vp =1300 msec
1890
Owi IslandN°1Tokyo
C2Bay5
10
15
20
Ejemplo de ProspecciEjemplo de Prospeccióón de velocidades por el mn de velocidades por el méétodo todo DownholeDownhole