Jorge E. Alva Hurtado, PhDProfesor Principal

EXPLORACION GEOTECNICA YENSAYOS DE LABORATORIO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO

EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO

EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA

ENSAYOS DE LABORATORIO

CONCLUSIONES

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

METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO

EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO

• Exploración a través de pozos abiertos y posteadora

• Exploración con ensayos de penetración estándar (SPT)

• Exploración con ensayos de penetración tipo cono holandés (CPT)

EXPLORACIÓN DE CAMPO CON EXPLORACIÓN 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"

EXPLORACIÓN DE CAMPO CON EXPLORACIÓN DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIÓN ENSAYOS DE PENETRACIÓN

ESTÁNDAR ESTÁNDAR -- (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

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.

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

Norma : ASTM D1556Funciones : Determinación de la consistencia y resistencia

cortante de los suelos en profundidad.Procedimiento :- Ejecución de la Perforación- Ejecución del Muestreo

Suelos Adecuados para la Ejecución del Ensayo- Arenosos- Limo Arenosos- Areno Limosos- Arcillas

Suelos Inadecuados para el Ensayo- Aluvionales- Aluviales- Suelos Gravosos y Heterogéneos con Gravas

ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR (SPT)

EVALUACION DE LA COMPACIDAD RELATIVA Y RESISTENCIA DE LOS SUELOS COHESIVOS

COMPACIDAD RELATIVA DE LA ARENA

RESISTENCIA DE LOS SUELOS COHESIVOS

Número de Golpes del SPT Compacidad Relativa

0 – 4 Muy Suelta5 – 10 Suelta

11 – 20 Firme21 – 30 Muy Firme31 – 50 Densa

Más de 50 Muy Densa

N° de Golpesdel SPT

Consistencia Resistencia a la CompresiónSimple en (Kg/cm2)

< 2 Muy Blanda < 0.252 – 4 Blanda 0.25 – 0.504 – 8 Media 0.50 –1.00

8 – 15 Firme 1.00 – 2.0015 – 30 Muy Firme 2.00 – 4.00

> 30 Dura < 4.00

DIVERSOS FACTORES DE CORRECCIONSEGÚN DIVERSOS AUTORES

Referencia Factor de Corrección CN Unidad de σv

Teng (1962)

Bazaraa (1967)

Peck Hansen, yThourburn (1974)

Seed (1976)

Seed (1979)

Tokimatsu yYoshimi (1983)

VN 10

50Cσ+

=

V10N

20log77.0Cσ

=

V10N log25.11C σ−=

Ver Fig. 1(b)

VN 7.0

7.1Cσ+

=

psi

ksf

tsf

tsf

Kg/cm2

5.15.025.3

4

5.1214

CV

V

VV

N

>σσ+

≤σσ+

=Sin embargo, se propone unfactor de corrección simple elcual es comparable concualquiera de las indicadas enla tabla anterior.

El factor propuesto para lacorrección del valor del SPTes:

0.21<=

vNC σ

(Liao y Whitman, 1991)

en Kg/cm2

Arcilla )cm/kg(8Nq 2

u = Terzaghi

Arcilla limosa )cm/kg(5Nq 2

u = Terzaghi y Peck

Arcilla areno limosa )cm/kg(8Nq 2

u = Terzaghi y Peck

Para todas las arcillas )/(33.1 2cmkgNqu = Graux

RELACIONES ENTRE EL NUMERO DE GOLPES “N”Y LA CONSISTENCIA DE LAS ARCILLAS

Correlación N - qu y consistencia para arcillasTerzaghi y Peck

30

25

20

15

10

5

0 1 2 3 4

A: Muy BlandaB: BlandaC: Medianamente CompactaD: CompactaE: Muy CompactaF: Dura

A B C D E F

qu (Kg/cm2)

Nq =u 8

N

0.6

0.5

0.7

0.8

0.9

1.0

0.20 0.4 0.6 0.8 1.0da / D

w

RW

1.0

Rw 0.7

0.50

0.6

0.2

0.8

0.9

db / B0.80.60.4 1.0

B

h

D

B

da

dbNF

FN

Factores de Corrección por PosiciónFactores de Corrección por Posiciónde la de la NapaNapa FreáticaFreática

La capacidad de carga última (qu) de un suelo(Terzaghi y Peck) puede establecerse apartir de las siguientes relaciones:

qult = 2NB Rw + 6 (100 + N2) DRw (Zapatas cuadradas)qult = 3NB Rw + 6 (100 + N2) DRw (Zapatas continuas)

en la que:

(qult) : capacidad de carga últimaB : ancho de la fundación en piesD : profundidad de la fundación (pies)Rw y Rw: factores de corrección por la posiciónde la napa freática propuesto por TENG

APLICACIONES DEL ENSAYO DEAPLICACIONES DEL ENSAYO DEPENETRACION ESTANDARPENETRACION ESTANDAR

A) Determinación de la Capacidad Portante(Suelos Granulares)

Consistencia del (N)Suelo SPT zap.cuadrada zap. continua

Muy blando 0-2 0.00 – 0.30 0.00 – 0.22Blando 2-4 0.30 – 0.60 0.22 – 0.45

Mediano 4-8 0.60 – 1.20 0.45 – 0.90Compacto 8-15 1.20 – 2.40 0.90 – 1.80

Muy compacto 15-30 2.40 – 4.80 1.80 – 3.60Duro >30 Mayor que 4.80 Mayor que 3.60

Capacidad de Carga Admisible(T/pie2)

B) Determinación de la Capacidad Portante (Suelos Finos)

Relaciones entre qadm, N y la Consistencia para SuelosFinos (Terzaghi y Peck)

Su (tsf)

25

20

15

10

5

1.0

27

0 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

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

EXPLORACIÓN DE CAMPO CON EXPLORACIÓN DE CAMPO CON ENSAYOS DE PENETRACIÓN CONO ENSAYOS DE PENETRACIÓN CONO

HOLANDÉS HOLANDÉS -- (CPT)(CPT)

EXPLORACION QUASI ESTATICA CON EL CONO HOLANDES

OBJETIVO: OBTENER RESISTENCIA POR PUNTA Y/O FRICCIONLATERAL TIPOS DE PUNTA: DELF Y BEGEMANN

DETERMINACION DE RESISTENCIA:

Resistencia por punta: qc=Qc/AcQc=Fuerza necesaria para hincar el cono en kgAc=Area transversal del cono (10 cm²)qc=Resistencia de punta (kg/cm²)

Resistencia por fricción: fs=Fs/AsFs=Fuerza necesaria para hincar el cono y la funda (kg, enzonas que lo miden directamente (Fs=Rt-Qc)As=Area lateral del manguito, 150 cm²fs=(Rt-Qc)/AfRt=Resistencia necesaria para hincar el cono y el manguito en kg, enconos que miden ambas variables

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 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 :FS = fuerza para hincar el cono y la funda en kgAS = área lateral de la fundafS = resistencia por fricción

qs

fs

20

2

30 5010 60400

3

5

1

6

70.6

4

1.20.2 0.4 0.80

Prof

undi

dad,

m

GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA

Resistencia de punta qc, kg/cm2

Resistencia de fricción fs, kg/cm2

1.0

80

0.2

16040 200 240 280 320 360 400 440

2

1200 0

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.1

0.9

1.0

0.8

480

3

4

5

6

1φ = 42°

φ = 40°

φ= 36°

φ = 44°

φ= 34°φ

= 28°

φ= 38°

φ= 32°

φ= 30°

Pres

ión

de s

obre

carg

a ef

ectiv

a kg

/cm

2

Resistencia por punta del cono (tn/pie2)

CORRELACION DE PRESION DE SOBRECARGAEFECTIVA Y RESISTENCIA POR PUNTA DE CONO

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.

::::

::

:

:

:

ARENA

LIMO, ARCILLA

TURBA

ARENA GRUESAY GRAVA

RES

ISTE

NC

IA D

E PU

NTA

, Kg/

cm2

FRICCION LATERAL, kg/cm2

02

100

200

ARCILLA

300

3 4 5 61

CLASIFICACION DE SUELOS CON PENETROMETRO ESTATICOELECTRONICO (Sanglerat, G., 1972)

Arena

(Suelta)

Mezclas limo-arena,arenas arcillosasy limos

Are

nas

con

conc

has

Arcillas inorgánicas ymezclas de suelos

Duras

(Compacta ocementada

Medias

Blandas

Muy blandas

Muy duras

Arcillas inorgánicano sensitivas

100

10

23

200

1 4 5 6 72 8

RES

ISTE

NC

IA D

E PU

NTA

qc,

Kg/

cm2

RELACION DE FRICCION fs/qc, %

CLASIFICACION DE SUELOS CON PENETROMETROESTATICO (Sanglerat, J.H., 1977)

Arena

Arcilla

Arena gruesa y grava

30Limo, Arcilla

Res

iste

ncia

de

punt

a, K

g/cm

2

Fricción lateral, Kg/cm2

Turba

50

0

40

20

1.5

10

0.5 2.01.0

CLASIFICACION DE SUELOS BLANDOSO SUELTOS

AUSCULTACION DINAMICA DPLAUSCULTACION DINAMICA DPL--55

REGISTRO DPLREGISTRO DPL--55NDPL-5 ≅ NSPT

EXPLORACIÓN INDIRECTA MEDIANTE EXPLORACIÓN INDIRECTA MEDIANTE REFRACCIÓN SÍSMICAREFRACCIÓN SÍSMICA

A) USO- Exploración rápida y económica de grandes áreas.

- Permite obtener espesores de estratos y las velocidades de ondas P y de ondas S.

B) DEFINICIÓN- Medición de los tiempos de viaje de las ondas

compresionales (P) y de las ondas de corte (S).

C) FUENTE DE ENERGÍA- Golpe de martillo o carga explosiva.

F) APLICACIONES- Determinación de la estratigrafia del subsuelo

- Determinación de la profundidad del basamento rocoso

- Determinación de parámetros dinámicos

Perfil Estratigráfico Presa de Relaves Casapalca

shot0210 0209shot shot0208 0207shot0206shot

0204shot

shot0203

0202shot

0201shot

Interseccióncon la línea01

Material de Relave

Suelo Firme

Línea 02 - 01

Línea 02 - 02

Vp = 900 - 1000 m/s

Vp = 2300 - 2500 m/s

4205

4185

4165

4145

41250 20 40 60 80 100 120 140

Cot

a de

l Ter

reno

(m.s

.n.m

.)

Distancia (m)

LEYENDA

TERRENOESTRATO 1ESTRATO 2ESTRATO 3

SHOT

Cilindrode gas Regulador

Amplificador

Monitor

Registradorde datos

Carga

Martillo demadera

Estaca

Ondas POndas S

Tubo de PVC

Transductor de 3componentes

ESQUEMA DEL ENSAYO DE MEDICION EN POZOS DE ONDAS P Y S

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.120.00

1.0

2.0

4.0

0.0

7.0

3.0

5.0

9.0

12.0

6.0

10.0

8.0

13.0

14.0

15.016.0

17.0

18.019.020.020.320.8

11.0

Tiempo (segundos)

Prof

undi

dad

(m)

(Ondas P)

0.08

3.0

0.12 0.18 0.20 0.240.040.00

0.0

1.0

4.0

5.06.07.0

8.0

9.0

10.011.0

13.0

2.0

14.0

15.016.017.018.0

19.020.020.320.8

12.0

Tiempo (segundos)

Prof

undi

dad

(m)

(Ondas S)

0.020 0.040 0.060 0.080 0.100

0.0

Valor Corregido

Valor Observado

0.000

15.0

5.0

20.0

10.0

1800 m/s

260 m/s

1080 m/ s

500 m/s

310 m/s

Prof

undi

dad

(m)

(Ondas P)

Curvas Distancia - Tiempo

Tiempo (segundos)

0.040 0.080 0.120 0.160 0.2000.000

Valor Corregido

Valor Observado

400 m/s

100 m/l 120 m/s

100 m/s

180 m/s

190 m/s

5.0

15.0

0.0

20.0

10.0

(Ondas S)

Curvas Distancia - Tiempo

Prof

undi

dad

(m)

Tiempo (segundos)

VALORES PROMEDIO DE Vp SEGÚN LA NORMAASTM-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

Estación Portátil de Prospección Sísmica Smart-Seis S24 de 24 Canales (GEOMETRICS)

Martillo de 25 lbs. Utilizado Generalmente en Líneas Pequeñas

Martillo de 75 kg, Utilizado en Líneas de Longitudes Mayores a 100 m.

Preparación de Explosivo para Generar una Onda Sísmica

Colocación de Explosivo para la Generación de la Onda Sísmica

Disparo Producido por Explosivo

Uso de Calicatas para Determinar Módulos de Corte

Colocación de Geófonos en la Pared de la Calicata

ENSAYOS DE LABORATORIOENSAYOS DE LABORATORIO

A) Ensayos EstándarPermiten determinar las propiedades físicas de los

suelos - Análisis granulométrico por tamizado y sedimentación- Límites de consistencia- Contenido de humedad

B) Ensayos EspecialesPermiten obtener las propiedades de resistencia, compresibilidad y de flujo de los suelos.- Ensayo de Corte Directo- Ensayo de Compresión Triaxial- Ensayo de Consolidación- Ensayo de Permeabilidad

ENSAYOS ESTÁNDAR

ENSAYO DE CORTE DIRECTO

Objetivo:Medir la resistencia cortante de suelos granulares.

Equipo:Se utiliza el aparato para Corte Directo (caja partida un fija y la otra se puede mover horizontalmente con una fuerza horizontal aplicada).

Procedimiento del Ensayo:- Colocar el especimen al interior de la caja- Aplicar esfuerzo vertical- Aplicar esfuerzo horizontal hasta la falla

AN

=σ

A

F=τ

Esquema del Aparato de Corte Directo

Envolvente de falla para una arena seca ensayada en corte directo

τφ

σ

φ

σ

τ

C

Envolvente de falla para una arcilla dura ensayada en corte directo

=+

2° ETAPA1° ETAPA

σ3

σ3

σ3

σ3 σd σ1

σ1 = σ3 + σd

σd = σ1 − σ3

ENSAYO TRIAXIAL

Objetivo:Medir la resistencia cortante de diferentes tipos de suelos en diferentes condiciones de carga y drenaje.

u

σ1 = σ1 − u

σ3 = σ3 − u

- Ensayo No Consolidado - No drenado (UU)Construcción rápida en arcillas blandasAnálisis al final de la construcción de presas de tierra

Tipos de Ensayos Triaxiales

- Ensayo Consolidado - Drenado (CD)Construcción en arenas.Construcción lenta en arcillas.Análisis en el estado de infiltración constante de presas de tierra.

- Ensayo Consolidado - No Drenado (CU)Construcción rápida sobre arcillas sobreconsolidadas.Análisis de desembalse rápido de presas de tierra.

OTROS ENSAYOS

CONCLUSIONES

- Es importante realizar el reconocimiento del sitio antes de realizar una propuesta de investigación del terreno.

- De preferencia y siempre que sea posible se deben realizarexcavaciones a cielo abierto o calicatas, para visualizar en forma directa la estratigrafía del terreno y extraer muestrasdisturbadas e inalteradas para ensayos de laboratorio.

- El ensayo de penetración estandar SPT debe ejecutarse en todos los terrenos donde pueda ser factible de realizar. La gran ventaja de este ensayo es que permite recuperarmuestras disturbadas, existiendo además diversascorrelaciones entre el número de golpes “N” y parámetrosdel suelo.

CONCLUSIONES

- El ensayo Cono Holandés, debe utilizarse comocomplemento del ensayo SPT. La desventaja de este ensayoes la no extracción de muestras del terreno.

- Los ensayos de refracción sísmica superficial son útiles parael estudio de grandes áreas, para determinar espesores de estratos, profundidad del basamento y planificar la profundidad de los sondajes.

- Resulta necesario complementar la información obtenida con la refracción sísmica con la exploración directa de campo mediante sondajes.