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Facultad de Ingeniería III.- MUESTREO CON CALICATAS. Las calicatas permiten la inspección directa del suelo que se desea estudiar y, por lo tanto, es el método de exploración que normalmente entrega la información más confiable y completa. En suelos con grava, la calicata es el único medio de exploración que puede entregar información confiable, y es un medio muy efectivo para exploración y muestreo de suelos de fundación y materiales de construcción a un costo relativamente bajo y la profundidad está determinada por las exigencias de la investigación pero es dada, generalmente, por el nivel freático. Existen dos tipos de muestras tomadas en campo: las perturbadas y las inalteradas.

. Debe tener los mismos componentes de la masa original.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Muestra perturbadas: . La muestra o el testigo debe ser representativo del suelo o masa rocosa. . Debe tener los mismos componentes de la masa original. . De ser posible con la misma humedad. . Su estructura es totalmente alterada. . Las muestras deben ser guardadas en recipientes y bolsas, donde se altere poco la humedad. Utilidad de estas muestras: . Descripción del material. . Si todos sus componentes se están presentes y sin alteración del tamaño de los mismos, permite obtener la granulometría del suelo. . Si todos sus componentes están presentes, permiten la determinación de la plasticidad del suelo. . Puede ser útil para la determinación de la humedad.º

Muestra no perturbadas:
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Origen: . De perforaciones por rotación o perforación con sondas, donde se ha alterado la estructura del suelo. . De calicatas, donde el material se ha desmoronado. Muestra no perturbadas: . La muestra o el testigo representativo del suelo o masa rocosa. . Tiene todos sus componentes de la masa original. . Tiene la misma humedad del suelo “in situ”. . Su estructura es lo mínimo alterado. . Las muestras deben ser guardadas en recipientes, donde se altere la estructura y libre de vibraciones.

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Utilidad de estas muestras: . Descripción del material. . Obtención de la granulometría del suelo. . Determinación de la plasticidad del suelo. . Determinación de la humedad. . Ensayos especiales: Corte, permeabilidad, consolidación, compresión simple. Origen: . De perforaciones por rotación en suelos que permitan mantener su estructura compacta. . De calicatas, donde la obtención de monolitos donde el material no se desmorone y donde sea posible la penetración de cilindros.

Las fig. 21y 22, presentan la toma de muestra a través de un cilindro biselado. Se hinca el cilindro y luego se excava alrededor del mismo, para su extracción. Fig Demuestre en superficie, en suelos cohesivos sin gravas ni cantos. Fig Demuestre en superficie en arenas.

-Es útil para la determinación de la densidad relativa (Dr) en suelos granulares sin cementante. -Útil para la determinación del CBR de determinada capa en un pavimento en servicio. -Se puede usar en suelos granulares finos con arcilla o limos. - En suelos granulares que contengan gravas, se puede dañar el bisel del molde. Las fig. 23 y 24, muestran la definición de un monolito en una calicata. Esto solo es posible si el suelo tiene cierto cementante, de lo contrario la calicata sólo serviría para obtener material y llevar al laboratorio en un saco, para ser usado en el ensayo granulométrico y de densidad relativa.

Fig Demuestre en superficie en suelos cohesivos con gravas y cantos. Fig Procedimiento para la obtención directa de muestras inalteradas in situ. La calicata también sirve para ubicarse a cierta profundidad por debajo de la superficie para obtener muestras y hacer ensayos “in situ”.

Fig Modelo de registro de una calicata.

g. 4.- Perforación y muestreo con barrena helicoidal

Tubo muestreador penetra por golpes de martillo.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Tubo muestreador penetra por golpes de martillo.

Fig. 26.- Corte esquemático del tomamuestras partido normal.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig Corte esquemático del tomamuestras partido normal. Nota: Penetra la masa de suelo en el fondo de la perforación, a través de golpes transmitidos a la barra de perforación por medio de un martillo y cabezal

Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig Cuchara portatestigos para el ensayo normalizado de penetración.

Fig. 28.- Corte esquemático del tomamuestras de pared delgada.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones L = 75 cm a 90 cm Do Dc Dm Fig Corte esquemático del tomamuestras de pared delgada. Fig (a) Portatestigos de pequeña sección con tubo Shelby. (b) Portatestigos de mayor diámetro de pared delgada. Penetra el fondo con presión y sin vibración

2.875” Varilla Revestimiento Tubo Normalizado de 2 ½” Conducto de Aire Aberturas Enganche de Varillas “N” Varilla de Sondeo Tubo normalizado de 1” Obturador 2 1/2” Cabeza o Adaptador De Portatestigos 6 3/4” Cabeza De Portatestigos Abrazaderas 3/8” prisionero con Cavidad hexagonal Orificios para llave inglesa 3” 5 1/2” Adaptador Prisioneros Guarnición de Goma 1/2” Tubo de Acero Shelby De 2” 3” Tubo Portatestigos 5.05” 33” 15 1/2” 5.25” 5” (a) (b) Fig (a) Portatestigos de pequeña sección con tubo Shelby. (b)Portatestigos de mayor diámetro de pared delgada.

Para controlar la alteración por desplazamiento:
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Recomendaciones de Hvorslev, para los tubos muestreadores con el fin de obtener muestras inalteradas. Para controlar la alteración por desplazamiento: Calibre No. 18 (1/20”) para Ø = 2” No. 22 (1/8”) para Ø = 5” Ar ≈ 13% (relación de áreas) Relación de Áreas: Donde: D0= Diámetro externo del tubo. Dm= Diámetro interno del tubo. Ar<10% máx. 15% para disminuir la alteración del suelo cuando se desplaza dentro del tubo. Ar, toma en cuenta disminuir los esfuerzos que obligan al suelo a entrar al tubo y a desplazarse hacia los lados alrededor del tubo.

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Fundaciones Veamos el valor de Ar para el tubo partido normal: (muestra alterada totalmente) Para disminuir la fricción entre el suelo y las paredes internas del tubo: Donde: Ci= tolerancia interna Dc= diámetro en el extremo de la boquilla cortante Recomendable: Ci= 0.75 a 1.50% Long. de muestreadores grandes. Ci≤ 0.50%. Long de muestreadores pequeños. Ci grande → expansión excesiva. Ci pequeña → fricción excesiva.

Fundaciones Veamos la tolerancia para el tubo partido normal: También para los tubos muestreadores, sugiere: Ls = (5 a 10) Dm suelos poco cohesivos, sueltos o densos. Ls = (10 a 20) Dm suelos firmes, cohesivos o muy blandos. Valores pequeños para diámetros grandes y valores grandes para diámetros pequeños. Los muestreadores de paredes delgadas tienen longitudes entre 75cm y 90cm.

Tubo de pared delgada con pistón
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones El empleo de tubos de pared delgada provistos con pistón puede a veces extraer arenas ligeramente cohesivas, por encima del N.F. y dotadas de cohesión aparente por capilaridad. Tubo de pared delgada con pistón

Fundaciones Vp Vp Vp cp. cp. Fig Obtención de testigo por tubo hincado empleando pistón estacionario: Descenso (2) obtención del testigo (3) extracción r r Tp Tp Pie del Revestimiento (1) (3) Tp r - revestimiento p – pistón vp – vástago del pistón t – testigo cp – cabeza portatestigo tp – tubo portatestigo (2)

Toma de muestra del pistón:
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Toma de muestra del pistón: Pistón cierra boca del muestreador, cuando se baja al fondo de la perforación y se fija a ese nivel. el tubo muestreador penetra el suelo sin que el pistón se mueva. El pistón se puede operar de manera de producir el vacío entre él y la parte superior de la muestra, lo que facilita su retención en el tomamuestra. También evita que suelos blandos inestables asciendan más rápido que el descenso del tubo. Evita que después que el tubo este parcialmente lleno la adherencia y la fricción entre el tubo y la muestra se oponga al avance de éste.

Para extracción de muestras inalteradas en arena:
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Para extracción de muestras inalteradas en arena: La fig. 32, presenta el muestreador de Bishop, para este caso. Este muestreador se entiende así: La cámara contiene inicialmente al tubo muestreador el cual esta rodeado de agua (no existe vacío en la cámara). Se introduce el tubo muestreador por presión en el suelo. Luego se expulsa el agua que existe en la cámara con aire comprimido. Halar el muestreador y colocarlo dentro de la cámara. En el extremo del tubo se producen presiones capilares que ayudan al sostenimiento de la muestra dentro del tubo (s.r: Se produce tensión capilar por el contacto entre el agua y el aire, y esto le dá cierta tensión aparente).

Principio del muestreador Bishop.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig 32. Principio del muestreador Bishop. El cable hala el muestreador y lo coloca dentro de la campana llena de aire. Inicialmente el tubo muestreador se encuentra dentro de la cámara rodeado de agua Se inyecta aire comprimido y se explusa el agua de la cámra. El muestreador es forzado dentro de la arena por medio de las barras de perforación y el aire comprimido desplaza el agua de la campana. Al entrar el tubo a la cámra en el extremo del tubo se produce cierta tensión (presiones negativas)

Para suelos duros y compactos, donde no se puede usar tubos
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Para suelos duros y compactos, donde no se puede usar tubos de pared delgada (Fig. 33 y 34): Cohesivos duros Lutitas blandas Arenas ligeramente cohesivas Tubos concéntricos (similar al tubo single). El tubo exterior rota y corta el suelo: Tubos concéntricos Ambos tubos son simultáneamente forzados hacia abajo, dentro del suelo. Se obtienen buenas muestras de suelos cohesivos, firmes a duros, incluyendo lutitas duras.

Tubos concéntricos (similar al tubo single).
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Cohesivos duros Lutitas blandas Arenas ligeramente cohesivas Tubos concéntricos (similar al tubo single). El tubo exterior rota y corta el suelo: Fig. 33 Corte esquemático del muestreador rotatorio de doble tubo, tipo Denison

Fig. 34 Portatestigos Denison

Tabla #10. Registros de sondeos en suelos.
Tabla Nº Registro de sondeos en suelos. Tabla Nº Registro de sondeos en suelos. Long. de avance del muestreo Descripción del material Muestreo y ensayo “in situ” Ubicación N.F Tabla #10. Registros de sondeos en suelos.

Tabla #11. Registros de sondeo en roca.

Facultad de Ingeniería V.- METODOS ESTATICOS DE SONDEO (CONO HOLANDES) – ENSAYO DILATOMÉTRICO - ENSAYO DE PLACAS – ENSAYO DE VELETA. PENETRÓMETRO (FIG 35 Y 36) Fig. 35 Corte esquemático del Cono Holandés de doble movimiento. Velocidad a la cual se empuja 1cm/seg (también 20 a 40cm/min) rápidos levantamientos de depósitos erráticos de arcilla, limos y turbas blandas, se puede hacer auscultamientos de 10m en 15min.

-Consiste básicamente en un cono de 60 grados con un diámetro de 36mm y 10cm2 de área en la base. El cono va enroscado a la parte inferior de un vástago. -Velocidad a la cual se empuja 1cm/seg (también 20 a 40cm/min) -Útiles en suelos relativamente blandos o ninguna cohesión. El aparato holandés original se usa todavía para efectuar rápidos levantamientos de depósitos erráticos de arcilla, limos y turbas blandas, se puede hacer auscultamientos de 10m en 15min. Las lecturas de manómetros pueden registrarse cada 20 a 25 cm a medida que profundiza el penetrómetro

- Mide la magnitud y variación de la resistencia a la base del cono. Complementa la información obtenida de los muestreos hechos en las perforaciones. -Permite identificar la presencia de puntos blandos, ubicados entre perforaciones previas. Mayor precisión en las variaciones de la resistencia a la penetración de un cono que avanza por presión estática, que las variaciones dinámicas. - Los resultados en gravas son aleatorios. - Rápida exploración de depósitos blandos con equipos mecanizados, que puede llegar hasta 30 metros. - Manuales hasta 10 metros. - Mecanizados hasta 30 metros. Cono: 60 grados. Φ:35,7mm Sección transversal = 10cm²

Buje de fricción del mismo diámetro con área superficial de 150cm². Fuerza de penetración del cono + funda = resistencia por punta + resistencia lateral. Longitud de funda para medir resistencia por fricción Fig. 36 Posición 2, el cono penetra 4 cm y se mide resistencia por punta. Posición 3, penetración de 4 cm adicionales, mide resistencia por punta más resistencia por fricción lateral.

Correlaciones entre la resistencia no drenada y la resistencia a
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Correlaciones entre la resistencia no drenada y la resistencia a la penetración por punta del cono. Para arcillas normalmente consolidadas (N.C) qc ≤ 20kg/cm² (3) Cu= qc/15 a qc/18 Para arcillas blandas donde se prevee una falla local (4) Cu=qc/10 a qc/14 Para arcillas preconsolidadas qc ≥ 25 kg/cm² (5) Cu=qc/22 a qc/26 qc=σvo + 2x 1.3 x 5.14 x Cu (otra expresión aproximada) (6)

Correlación entre el CPT y el SPT
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Correlación entre el CPT y el SPT Composición del suelo no cohesivo qc/N Limos, limos arenosos, mezclas de limos y arena con algo de cohesión. 2 Arenas limpias finas a medias y arenas de algo limosas. 3-4 Arenas gruesas y arenas con algo de grava. 5-6 Gravas y gravas arenosas. 8-10 qc → kg/cm² N → Golpes/pie

Sonda de Piezocono Piezocono

s.r: Suma de la hidrostática más la sobrepresión que produce el equipo La figura 37. Presenta un registro obtenido con un cono de penetración estática, el cual en este caso adicionalmente permitió medir la presión de poros en cada punto de registro del ensayo. Se observa como las mayores presiones de poros ocurrieron en suelos arcillosos, así como también las menores resistencias por punta y por fricción coincidieron a ese nivel de presiones de poros. s.r Probablemente no ha existido el tiempo necesario para la disipación del exceso de presión

1 bar = 1 kgcm2 Figura 38. Relación entre la resistencia por punta qc y el ángulo de rozamiento interno para arenas no cementadas.

La figura 39 y 40 es referida al cono dinámico, cuyos resultados
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería La figura 39 y 40 es referida al cono dinámico, cuyos resultados tienen cierta correlación con el ensayo SPT. registro del número de golpes NB se efectúa cada 20 cm 63.5 kg de peso, cae libremente 0.50 m más de 100 golpes para hincar los 20 cm de tubería se considera rechazo Punta cónica Punta cuadrada Figura 39.- Ensayo de penetración dinámica tipo Borros, dispositivos y puntazas.

Aplicaple unicamente a suelos arenosos
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Ensayo Borros, puede realizarse a profundidades considerables, en ocasiones superiores a 25 m. La maza, de 63.5 kg de peso, cae libremente desde una altura de 0.50 m. Las puntazas pueden ser cuadradas o cónicas. El registro del número de golpes NB se efectúa cada 20 cm. Si son necesarios más de 100 golpes para hincar los 20 cm de tubería se considera rechazo y se suspende la prueba. Aplicaple unicamente a suelos arenosos Log(NB)=0.035N ± (7) N = 25log(NB) – ± (8) Se puede estimar de forma aproximada que N = NB, para NB comprendido entre 8 y 12. Para valores mayores, NB resulta ser algo mayor que N. Dhalberg (1974) propuso dos correlaciones, no estrictamente equivalentes , aplicables únicamente a suelos arenosos: Nota: las ecuaciones no están referidas a la tabla 12

N. Dhalberg (1974) Aplicaple unicamente a suelos arenosos
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones N. Dhalberg (1974) Aplicaple unicamente a suelos arenosos Log(NB)=0.035N ± (7) N = 25log(NB) – ± (8) Otros tipos de conos dinámicos Fig Conos dinámicos.

Departamento de Vías Fundaciones Tabla #12 Relacion entre el Numero de Golpes y la densidad relativa de suelos Granulares. Penetracion del cono 30cm² (Parcher y Jeans (1968). Wmartillo=63.5kg Wmartillo=18.1kg Dr hcaida=76.2cm hcaida=45.7cm N Nc 0 a 4 Muy suelta 4 a 10 <25 Suelta 10 a 30 25 a 50 Mediana 30 a 50 50 a 80 Densa > 50 >80 Muy densa

Ensayo para medir la resistencia del suelo a la deformacion.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Ensayo para medir la resistencia del suelo a la deformacion. La fig. 41, muestra un esquema del dilatómetro, usados en suelos. La fig. 42 y 43, presenta correlaciones entre los parámetros estimados a partir del ensayo vs el coeficiente de empuje lateral en reposo y el suelo donde se realiza el ensayo. El ensayo permite medir la resistencia del suelo a la deformación, a través del registro de las siguientes presiones: -Po: Presión medida para producir esta deformación de despegue de 0,05mm. -P1: Presión medida para una deflexión de 1.1 mm. - P2: Existirá una presión P2, cuando la membrana vuelva a su posición al liberar cuidadosamente el gas.

Fig. 41.- Dilatómetro de Marchetti
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones mm Fig. 42 Correlación entre kD y ko (para las curvas de Schmertmann se requiere una estimación previa de ). Fig Dilatómetro de Marchetti

Tabla de correlaciones
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Tabla de correlaciones Definición de parámetros para el ensayo Índice del material de deposito: (9) Índice de esfuerzo lateral: (10) Definición del modulo dilatómetro (11) P1,P0 →Mpa ED→MPa uo: presión de poros en el sitio Es:Modulo de Young Fig Correlación entre tipo de suelo, ID y ED. vo’: Presión efectiva

Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Ensayo de placa La fig. 44, 45,46 y 47, hacen referencia al ensayo de placa. La fig. 44 y 46, presenta dos maneras de trasmitir la carga al suelo, donde el primero es a través de un sistema de reacción de anclajes o pilotes y la segunda fig. el esfuerzo trasmitido al suelo se logra a través de pesos colocados sobre vigas las cuales las mantiene el gato al mismo nivel. La fig. 45, muestra los resultados del ensayo de placa. En la fig. 47, se ve el efecto que produce la placa sobre el suelo de fundación en relación con la zapata real fundada a la misma cota. Fig Dispositivos para el ensayo de placa de carga

Fig. 45.- Resultados del ensayo de placa de carga.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig Resultados del ensayo de placa de carga. Fig Pruebas de carga

-Incrementos de carga  ¼ presión portante admisible estimada
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig Zonas relativas de influencia de la carga, bajo placa soportante y bajo asientos de pies de construcciones. - La ASTM hace una serie de recomendaciones para el ensayo, sin embargo, veamos las recomendaciones de Sowers (1961) - Hacer los incrementos de carga en ¼ presión portante admisible estimada -Incrementos de carga  ¼ presión portante admisible estimada -Máxima carga a colocar: Aproximadamente dos veces la presión portante admisible en arenas y gravas Aproximadamente 2,5 veces la presión admisible en arcillas

Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Leer los asentamientos con una precisión de 0,025 mm y referenciarlos fuera del área afectada por los posibles asentamientos. Después de cada incremento no se vuelve a cargar hasta que la velocidad del asentamiento sea 0,05 mm/hora. El incremento final se dejará aplicado por lo menos por 4 horas antes de finalizar el ensayo. La ASTM dice que después de descargar el suelo, se debe medir la expansión por un tiempo igual a la de un incremento de carga.

Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Ensayo de veleta Fig Equipo del ensayo de molinete o ensayo de veleta.

Arcillas con qu < 1 kg/cm2
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Para suelos: Arcillas con qu < 1 kg/cm2 No recomendable si la arcilla tiene capas densas de arena y limo Menos recomendable si existen gravas o piedras La veleta penetra el suelo de fondo del fondo en forma lenta y continua, sin alterar apreciablemente el suelo. Luego se rota a una velocidad de 6º a 12º por minuto (ver fig 49). Se va registrando el par necesario para rotar determinado ángulo. El momento tensor requerido para girar las veletas es proporcionado por la resistencia lateral que se genera en la superficie cilíndrica generada por las paletas y por la resistencia en las bases.

Fig. 49.- Ensayo rotatorio de veleta in situ.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig Ensayo rotatorio de veleta in situ.

Fundaciones Tomando en cuenta la figura 48 y 49 se plantea la siguiente ecuación: (12) Donde: Cu: Resistencia cohesiva 2π(B/2).L:Area lateral del cilindro (B/2): Brazo π(B/2)²: Area base (2/B)(B/2): Brazo 2: Ambos lados de la base (13) No tomando este termino (14) (15)

S, v: resistencia obtenida con veleta
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones La fig. 50, permite obtener el factor de corrección de la resistencia obtenida con la veleta. S, v: resistencia obtenida con veleta P0’: esfuerzo efectivo a la cota a la cual se hizo el ensayo S, diseño = .S,v (16) Puede diseñar con la figura 50.a o 50.b reinterpretación del gráfico de Bjerrum por Aas et al. (1986) para incluir efectos de vejez y OCR. Para la figura 50.b, define con (Ip, S,v) un punto en la zona N.C. o en la zona O.C., luego baja y busca la curva NC o la curva OC, dependiendo de la zona superior y determina .

Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig (a) Factor de corrección de Bjerrum para el ensayo de veleta de corte. Según Bjerrum (1972) y Ladd (1977). (b) Reinterpretación del gráfico de Bjerrum por Aas et al. (1986) para incluir efectos de vejez y OCR.

Fig. 51.- Diferentes alturas y anchos de las paletas de la veleta.
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Vías Fundaciones Fig Diferentes alturas y anchos de las paletas de la veleta.

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