PROSPECCIÓN GEOTÉCNICA

– Fases: Planeamiento, proyecto, construcción, posconstrucción.

– Objetivos: Conocer y cuantificar las características de los terrenos necesarios para la viabilidad, el proyecto y la construcción de una obra. Identificar, caracterizar, dimensionar, monitorizar.

MÉTODOS DE PROSPECCIÓN

1. Directos: Prospección mecánica.
2. Semi-directos: Prospección mecánica + ensayos in situ.
3. Indirectos: Prospección geofísica.

MÉTODOS DIRECTOS

Observación directa del subsuelo y recogida de muestras. Pozos, zanjas, galerías.

MÉTODOS INDIRECTOS

• Técnicas que permiten una investigación del subsuelo a partir de la determinación de parámetros físicos de los materiales geológicos.
• Las alteraciones detectadas permiten identificar las diferentes características de los materiales.
• Utilizado en estudios preliminares de grandes obras.

Método de Refracción Sísmica

A lo largo del perfil se colocan varios receptores de energía sísmica a lo largo de un alineamiento con una distancia constante que miden la velocidad de propagación de las ondas compresivas. Con esta información se puede determinar: el espesor y contacto entre formaciones rocosas, los materiales que componen el suelo, la ripabilidad (cuanto menor es la velocidad de propagación de las ondas más fácil es la ripabilidad del material) y parámetros de deformabilidad.

MÉTODOS SEMI-DIRECTOS

1. Estudios/Penetración: percusión, rotación, rotopercusión.

Percusión

Perforación por percusión: trituración de materiales por impacto de un martillo suspendido por un cable. Principio: la ruptura por caída de una masa con un peso determinado desde una altura constante. Suelos blandos o rocas.

Rotación de un Sinfín

Método de perforación más sencillo, usado para el reconocimiento inicial de grandes áreas y zonas de difícil acceso. Profundidades más limitadas, en suelos blandos o rocas, rápido y bajo coste. Rotación con extracción de núcleos: movimiento rotacional con cuerno cortante. Alcanza grandes profundidades. Estudio no destructivo.

Rotopercusión

Trépanos giratorios conectados a los palos con una broca en el extremo que corta y rompe las rocas. Movimientos giratorios acompañados de percusión. El desgaste depende de la naturaleza del terreno, fuerza de apoyo del equipo, velocidad de rotación, tipo de fluido circulante.

2. Ensayos in situ: en suelos (SPT, PD, CPT) y en roca (STT, dilatómetros)

Penetrómetros Dinámicos: SPT, PD

Consiste en introducir un elemento metálico en el suelo dejando caer un peso de masa normalizada desde una altura normalizada.

– Ventajas: Ensayo continuo, permite la obtención del perfil continuo de la resistencia del suelo. Ejecución simple y rápida.

– Desventajas: No es posible la recogida de la muestra. Permite la medición de un solo parámetro puntual, no mide parámetros de deformabilidad.

Penetrómetros Estáticos: CPT

CPT, SPT: determinación de la resistencia ofrecida por el terreno y recogida de muestra.

PD: determinación de la resistencia ofrecida por el terreno sin recogida de muestra.

• Puede ser utilizado en macizos terrosos y zonas muy alteradas o descompuestas.
• Permiten estudiar la compacidad de las formaciones más arenosas y la consistencia de las formaciones más arcillosas.

Ensayo SPT (Standard Penetration Test)

• Ensayo in situ más utilizado para el reconocimiento geotécnico de los terrenos.
• Objetivo: clavar un elemento en el suelo para evaluar la resistencia y compacidad del suelo.
• Clavar en el fondo de la perforación un muestreador estandarizado mediante percusión con un peso estandarizado que cae desde cierta altura.
• Ventajas: Barato, observación y recogida de una muestra, disponibilidad, obtención de un valor numérico de ensayo que puede ser relacionado con varios parámetros geotécnicos.
• Desventajas: Poco riguroso, difícil ejecución.

Ensayo CPT (Cone Penetration Test)

• Se obtiene un registro continuo del perfil del suelo. Mide la resistencia de la punta y de la fricción. Equipado con geófonos para la obtención de velocidades de ondas sísmicas. Se utiliza para determinar la capacidad de carga en cimientos, puentes y caminos.
• Ventajas: Ejecución rápida y barata. No requiere perforación previa. Alta precisión. Baja alteración del suelo.
• Desventajas: No se puede recoger muestras, equipo complejo, alto coste. Difícil para mantener la verticalidad a grandes profundidades.

Ensayos in situ en Macizos Rocosos

• Resistencia: Martillo de Schmidt, corte directo in situ.
• Deformabilidad: LFJ, ensayo de carga, dilatómetro.
• Tensión: SFJ, STT (Stress Tensor Tube).

Ensayos en Laboratorio

– Ventajas: Condiciones de ensayo bien definidas. Menor dificultad de interpretación.

– Desventajas: Pequeño volumen de material estudiado. Dificultad en obtener muestras sin alterar.

Ensayos in situ

– Ventajas: No requiere de recoger muestras. Suelos ensayados en su ambiente natural. Información continua.

– Desventajas: Condiciones de drenaje asumidas. Estados de deformación no uniforme.

GEOLOGÍA

– Eluviación: Transporte de material disuelto o suspendido desde el suelo por el movimiento descendente o lateral del agua cuando la lluvia excede la evaporación.

ORIGEN Y CLASIFICACIÓN DE SUELOS

Suelos Residuales

Suelos que no sufren transporte, permanecen en el lugar de descomposición de la roca que les dio origen. Se encuentran in situ sobre el macizo rocoso que les dio origen.

Suelos Sedimentarios

Tomados de su lugar de origen mediante la acción de agentes de transporte y depositados en otro lugar. Las características de estos suelos dependen de la distancia y del agente de transporte. Agentes de transporte: lluvia, gravedad, ríos, océanos y mares, hielo.

COMPONENTES DE LOS SUELOS

• Minerales, aire y agua. Componentes de aire y agua muy variables.
• Partículas sólidas: difieren en tamaño y composición química. La alteración y el transporte determinan el tamaño y la forma de las partículas, la composición y la distribución de los granos de partículas.

PROPIEDADES FÍSICAS

Color, consistencia, textura, estructura, densidad, porosidad, permeabilidad, granulometría.

SUELOS PROBLEMÁTICOS

Causan problemas de resistencia, deformabilidad, compactación y permeabilidad.

Arcillas Expansibles

Aumentan significativamente el volumen al absorber agua. Depende del clima, hidrología, vegetación. Necesario caracterizar el tipo de arcilla.

Suelos Dispersivos

Suelos cuya constitución y estructura son tales que las cargas repulsivas entre las partículas finas son mayores que las fuerzas de atracción. Los agregados de partículas se separan y las más finas son fácilmente arrastradas por la erosión interna.

Suelos Salinos y Agresivos

Gran cantidad de iones de sodio y sales solubles. Suelos asociados a zonas de intensa evaporación que permiten la concentración de sales. Atacan el hormigón.

Suelos Colapsables

Suelos de estructura muy abierta y baja cohesión. Estables y resistentes en ambientes secos. La variación del contenido de agua produce la destrucción de la estructura, disminución del volumen y asentamientos.

Suelos Blandos

Desembocaduras de ríos, zonas inundables, zonas costeras o con alto contenido en agua. Bajo peso específico, muy deformables y baja resistencia.

Suelos Congelados

Al congelarse el agua aumenta de volumen provocando fuerzas internas en el suelo.

Suelos Susceptibles a la Licuefacción

Suelos arenosos y limosos, saturados y con baja permeabilidad. Sujetos a tensiones rápidas, la presión intersticial aumenta y el suelo se comporta como un líquido. El suelo pierde resistencia.

LA TIERRA

• Composición de la corteza terrestre: oxígeno, silicio, aluminio, hierro.
• Composición de la Tierra: hierro, oxígeno, silicio.

DINAMISMO DE LA TIERRA

Sistema abierto porque intercambia energía y materia con el resto del cosmos. El Sol es la fuente de energía externa de la Tierra. Dependientes de las fuentes de energía solar y del calor interno de la Tierra existen ciclos de materia y energía en diferentes subsistemas naturales que se integran entre sí: la atmósfera, biosfera, hidrosfera, litosfera.

OTROS COMPONENTES DEL SISTEMA TIERRA

• Sistema tectónico: Implica interacciones entre los componentes sólidos de la Tierra (corteza, manto y núcleo). Depende de la energía interna de la Tierra.
• Sistema climático: Implica interacciones entre los componentes de diferentes subsistemas: atmósfera, hidrosfera, biosfera. Depende de la energía solar.

GEODINÁMICA DE LA TIERRA

• Externa: Fenómenos que ocurren en la superficie terrestre (procesos superficiales y sedimentarios, movimiento de terrenos, procesos fluviales, litorales, glaciares y eólicos).
• Interna: Estudio de la dinámica interna de la Tierra (tectónica de placas, sismos, procesos magmáticos, volcanes, procesos metamórficos).

OCÉANOS

Plataforma Continental

Borde sumergido del continente con poca pendiente. 10% de la superficie del globo.

Talud Continental

Transición entre el continente y el océano. Gran pendiente.

Base del Talud Continental

Área de derrame de materiales en la base del talud.

CONTINENTES

Escudos o Cratones

Grandes extensiones relativamente planas y estables formadas por rocas muy antiguas.

Plataformas Estables

Zonas en las que los escudos acaban cubiertos por rocas sedimentarias más recientes.

Cadenas Montañosas

Formadas por el arrugamiento de las rocas creando cadenas más o menos lineales.

ESTRUCTURA DE LA TIERRA

1. Corteza continental.
2. Corteza oceánica.
3. Manto superior.
4. Manto inferior.
5. Núcleo externo.
6. Núcleo interno.

a: discontinuidad de Mohorovičić. b: discontinuidad de Gutenberg. c: discontinuidad de Lehman.

De Acuerdo con las Propiedades Químicas

• Corteza: Capa más externa, materiales rocosos muy heterogéneos, composición rica en silicio, aluminio y magnesio. Discontinuidad de Mohorovičić: separa la corteza del manto.
• Manto: Capa subyacente de la corteza, material rocoso, altas temperaturas y presiones, composición rica en hierro y magnesio. Discontinuidad de Gutenberg: separa el manto del núcleo.
• Núcleo: Capa más interna, composición rica en hierro y níquel.

De Acuerdo con las Propiedades Físicas

• Litosfera: Parte sólida y rígida, abarca la corteza y la parte rígida del manto.
• Astenosfera: Debajo de la litosfera, formada por material del manto. La parte superior parcialmente fundida y con posibilidad de deformación.
• Mesosfera: Que abarca parte del manto superior y del manto inferior, formada por materiales rocosos en estado sólido.
• Endosfera: Capa más profunda, líquida hasta unos 5000 km y luego rígida.

ISOSTASIA

• Proceso de compensar el peso de un cuerpo menos denso en un cuerpo más denso, como el hielo sobre el agua.
• Entre la litosfera sobre la astenosfera: la astenosfera es una capa plástica que soporta el peso de toda la litosfera mediante el proceso de isostasia.
• Para permanecer flotando sobre la astenosfera, la litosfera tiene que compensar su peso que emerge de la superficie con una gran porción que emerge de la astenosfera.

CICLO GEOLÓGICO

Ciclo Geológico

Circulación continua de materiales rocosos que da origen a los diferentes tipos de rocas.

Principales Tipos de Rocas

• Magmáticas: Cristalización y solidificación de rocas a partir del magma.
• Sedimentarias: A partir de la deposición, compactación y cementación de sedimentos con origen en la meteorización y erosión de las rocas de la superficie.
• Metamórficas: Alteración de rocas en estado sólido, recristalización. Sujetas a altas temperaturas o presión.

Mineral

Sustancias sólidas, de origen natural y de origen inorgánico con estructura atómica cristalina interna que le confiere: composición química bien definida, propiedades físicas características, forma poliédrica natural.

Clasificación de los Minerales

• Silicatos: Minerales más abundantes en la corteza. Un componente estructural fundamental es el tetraedro de silicio y oxígeno, los elementos más abundantes en la corteza.
• Carbonatos: Tienen como componente estructural fundamental un anión de carbonato.
• Óxidos e hidróxidos: Minerales con combinaciones del ion oxígeno o del ion hidroxilo con cationes metálicos.

ROCAS MAGMÁTICAS

Origen: Fusión de rocas de la corteza profunda y caliente y del manto superior.

Procesos: Solidificación del magma, enfriamiento y cristalización.

Tipos de Rocas Magmáticas

• Volcánicas o extrusivas: El magma se solidifica en la superficie, enfriamiento rápido, cristales pequeños. Ejemplos: basalto, andesita.
• Plutónicas o intrusivas: El magma se solidifica en profundidad, se enfría lentamente y se desarrollan grandes cristales. Ejemplos: granito, sienita, gabro.

Textura: Aspectos relacionados con el tamaño, forma y disposición de los elementos constitutivos de la roca.

Color: Depende de la composición mineralógica de las rocas.

ROCAS SEDIMENTARIAS

Origen: Meteorización y erosión de rocas existentes en la superficie terrestre. Rocas preexistentes – sedimentos – depósitos sedimentarios – rocas sedimentarias.

Meteorización

Procesos que alteran las características de las rocas.

• Física: Por calor, por hielo, por alivio de presión.
• Química: Hidratación, disolución, hidrólisis.

Erosión

Conjunto de procesos físicos responsables de eliminar materiales resultantes de la meteorización.

Tipos: Fluvial, pluvial, marina, eólica, glacial, gravitacional.

Transporte

• Gravedad: Deslizamientos de tierra en laderas. Selección granulométrica y composición débil. Rodamiento prácticamente inexistente.
• Viento: Agente rápido y energético. Selección granulométrica y composición externa. Rodamiento dependiente de la energía eólica.
• Agua: Glaciares, corrientes fluviales, olas, corrientes marinas. Muy lento y mecánicamente agresivo. Selección granulométrica y composicional muy pobre. Rodamiento prácticamente inexistente. Velocidad variable y agresividad mecánica, buena selección granulométrica y composicional.

Ambientes de Sedimentación

• Continental: Glaciar, eólico, fluvial.
• Costeros: Lagunas y playas.
• Marinos: Plataformas, taludes y fondos marinos.

Tipos de Rocas Sedimentarias

1. Detríticas:
   • Consolidadas: Escombros consolidados por interposición de cemento y acciones mecánicas. Ejemplos: arenisca, arcilla.
   • No consolidadas: Constituidas por escombros no consolidados. Ejemplos: arena, arcilla.
2. Origen químico:
   • Precipitación de carbonato de calcio. Ejemplo: caliza.
   • Precipitación de sales de cloruro de sodio. Ejemplo: sal.
   • Precipitación de sales de sulfato de calcio. Ejemplo: yeso.
3. Origen biológico: Petróleo, gas natural, carbón.

ROCAS METAMÓRFICAS

Origen: Sometidas a altas temperaturas y presión en la corteza y el manto superior.

Procesos: Recristalización de minerales en estado sólido, formación de nuevos minerales.

Metamorfismo

Transformaciones físicas y químicas en rocas ya existentes debido a temperaturas y presión más elevadas en el interior de la Tierra.

Tipos de Rocas Metamórficas

1. Granulares sin foliación: Granos homogéneamente distribuidos por toda la masa sin crear direcciones preferenciales. Tipos:
   • Rocas duras: cuarcita, corneana.
   • Rocas blandas: mármol calcítico, mármol dolomítico, serpentina.
2. Fisibles: Se rompen fácilmente a lo largo del plano natural. Tipos:
   • En función de la dimensión: esquisto arcilloso, filita.
   • En función de la composición química: esquisto carbonatado, silicioso, carbonatado.
   • En función de las características especiales: esquisto de mica, pizarra.
3. Granular con foliación: Intercrecimiento de minerales recristalizados. La roca no destaca naturalmente a lo largo de los planos definidos por estos minerales. Tipos:
   • Gneis: cuarzo, feldespato.
   • Anfibolita: plagioclasas.
   • Eclogita: cuarzo, feldespato.

PROPIEDADES DE LAS ROCAS CON INTERÉS GEOTÉCNICO

Estado de Alteración

Clasificación basada en la observación visual, alto grado de subjetividad. La misma roca puede ser clasificada de manera diferente por varios observadores distintos.

Propiedades Físicas

Contenido de agua, densidad y masa o peso específico, porosidad, permeabilidad, durabilidad.

Propiedades Mecánicas: Resistencia y Deformabilidad

Resistencia a la compresión simple, resistencia a la compresión directa, resistencia a la tracción, módulo de deformabilidad.

Ensayos de Laboratorio e in situ

Cuantifican propiedades que definen el comportamiento mecánico: naturaleza de la roca, resistencia a la rotura, deformación a corto y largo plazo, influencia del agua en su comportamiento, influencia del clima en su comportamiento, clasificación de rocas y macizos rocosos según criterios técnicos.

Durabilidad

Resistencia de la roca a procesos de alteración, desintegración o fragmentación. Ensayo Slake Durability Test (SLD): someter el material rocoso previamente fragmentado a ciclos estándar de secado-humidificación y acción mecánica.

Resistencia

Fuerza que la roca puede soportar en ciertas condiciones de deformación hasta que ocurra la falla.

Rotura

Fenómeno que se produce cuando la roca no puede soportar las tensiones aplicadas, alcanzando un pico de resistencia.

Deformación

Relativa a la configuración de los cuerpos. Relación entre la variación de longitud y la longitud inicial. En su estado natural, las rocas subterráneas están sujetas a estados de tensión triaxial. La realización de los ensayos de tensión uniaxial destaca el comportamiento mecánico de las rocas en determinadas situaciones: cimentaciones.

Resistencia a Compresión Uniaxial (RCU)

Las probetas son sometidas a una fuerza de compresión aplicada en la base de la parte superior hasta que se produce la ruptura. La resistencia corresponde a la tensión máxima que soporta la roca cuando se somete a la compresión uniaxial hasta que se produce la falla.

Ensayo con Esclerómetro Portátil: Martillo Schmidt

La resistencia a la compresión simple de las rocas se puede relacionar con la dureza de la roca. Dureza Schmidt: determinada mediante pruebas con el martillo Schmidt. Manera indirecta de determinar la resistencia a la compresión simple del material. Método no destructivo.

Velocidad de Propagación de Ultrasonidos

Velocidad de las ondas. Relacionable con características mecánicas de la roca, permitiendo determinar parámetros de deformabilidad: módulo de deformación, distorsión, coeficiente de Poisson.

RIESGOS

Riesgos Naturales

• Peligros exógenos: Causados por procesos superficiales naturales de la Tierra. Ejemplos: erosión costera, movimientos terrestres, inundación de suelos.
• Peligros endógenos: Causados por procesos internos de la Tierra. Ejemplos: volcanes y sismos.
• Peligros meteorológicos o atmosféricos: Causados por procesos meteorológicos y atmosféricos. Ejemplos: tormentas, nevadas, sequía.

Componentes del Peligro

Tipología, localización, radio de acción, duración, magnitud, previsibilidad.

Movimientos de Masas

Movimiento del suelo, roca o escombros que ocurren principalmente a lo largo de planos de rotura que pueden ser agravados por la acción humana.

Factores Condicionantes (Pasivos)

Geométricos, geológicos, relieve y pendiente, propiedades físicas de los materiales, extensión, estado natural, tensión de meteorización.

Factores Desencadenantes (Activos)

Cargas estáticas y dinámicas, factores climáticos, variaciones de la geometría, erosión y excavación en la base, sismos.

Tipos de Movimientos de Tierra

• Colapso: Caída de partículas que se acumulan en la base del talud.
• Deslizamientos: Las rocas se deslizan a lo largo de una superficie de ruptura.
• Flujo: Desplazamiento de materiales fluidos, plásticos o viscosos.

Prevención del Riesgo

Prevención Activa: Acciones Constructivas

• Sistemas de drenaje.
• Modificación de la geometría.
• Estructuras de soporte (muros de hormigón, mallas de red metálica, anclajes, hormigón proyectado, vegetación).

PARTE 2: CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS

Acción Física

Sobre las rocas tiende a formar partículas tridimensionales de forma granular, de grandes dimensiones y superficie específica pequeña. Minerales químicamente estables. Fuerzas de superficie despreciables. Fuerzas gravitacionales importantes.

Acción Química

Agua. Tiende a formar partículas largas con forma laminar, con pequeñas dimensiones (decenas o centenas de veces superiores al espesor) y superficie específica grande. Minerales químicamente más inestables. Fuerzas de superficie importantes.

Macizos Naturales: Origen

• Suelo sedimentario: Deposición de partículas que han sufrido un proceso de transporte.
• Suelo residual: Quedan en el espacio antes ocupado por la roca que les dio origen.

Macizos Artificiales

Suelos retirados de su lugar natural, transportados para la obra donde son utilizados como material de construcción.

Estado Físico: Índices Físicos

• Según la acumulación de partículas: suelo suelto o suelo denso.
• Según la humedad: suelo seco, suelo húmedo, suelo saturado, suelo sumergido.

Capilaridad

Ascenso de un líquido a una determinada altura que resulta del equilibrio del peso de la columna del líquido y las fuerzas resultantes de la tensión superficial.

Determinación de Contenido en Agua: Ensayos

1. Densímetro nuclear: Se liberan neutrones que chocarán con el núcleo de hidrógeno presente en el agua libre del suelo y, por tanto, perderán energía. Después se capturan los neutrones y se tiene en cuenta la pérdida de energía.
2. Garrafa de arena: Se nivela la superficie del suelo y se coloca la bandeja. La muestra del suelo se retira a través del orificio de la bandeja y se pesa. Para medir el volumen, se llena la cavidad con la arena calibrada de la botella de arena.

Determinación del Peso Volumétrico: Ensayos

1. Densímetro nuclear: Se liberan fotones que interactúan con los electrones de las partículas del suelo y pierden energía. La pérdida depende de la densidad de los átomos. Posteriormente se detectan fotones y destellos de luz.
2. Picnómetro: Se llena un picnómetro con agua destilada hasta el nivel de referencia y se pesa. Se agrega la muestra desecada.

COMPACTACIÓN DEL SUELO

Al construir sobre un suelo de baja resistencia o alta deformabilidad, se debe compactar para aumentar el solapamiento entre las partículas y la densidad del terreno. La compactación consiste en la densificación del suelo por reducción del volumen de la fase gaseosa mediante la aplicación repetida de cargas. Proctor demostró que, para una determinada energía de compactación, el peso específico seco del suelo compactado es función de su contenido de agua en ese momento.

Relación entre el Contenido de Agua (w) y la Densidad

Se determina en el laboratorio mediante las pruebas de compactación estándar.

ENSAYOS PROCTOR

Una muestra de suelo se compacta en un molde cilíndrico en varias capas, compactándose cada capa con un cierto número de golpes con un martillo de peso estandarizado y altura de caída estandarizada. Se retira el molde de la base.

Procedimiento Típico en Obras

1. Estudiar posibles zonas donde se puede obtener suelo en cantidad y calidad adecuada.
2. Realización de pruebas de identificación (análisis granulométrico y límites de consistencia) para elegir las características más adecuadas al tipo de trabajo.
3. Una vez elegido el suelo, se realizan los ensayos de compactación. La energía de compactación depende de las características de resistencia, deformabilidad y permeabilidad. Del suelo compactado se pueden realizar ensayos para evaluar su comportamiento mecánico (resistencia y deformabilidad), e hidráulico (permeabilidad), para estudiar la viabilidad del proyecto constructivo.

Las especificaciones entregadas al constructor deben especificar:

• El grado mínimo de compactación requerido, es decir, el porcentaje mínimo de la densidad máxima obtenida en el laboratorio que debe alcanzarse después de la compactación en obra.
• Si la compactación debe realizarse en el lado seco (máxima resistencia) o en el lado húmedo (máxima ductilidad), con la indicación de la desviación máxima de w en relación con el w óptimo.

Tipos de Energía de Compactación

: proctor normal energía mas baja Proctor modificado mayor energía.-Se seca la muestra al aire y los grumos se eliminan. Después se mezclan bien con la cantidad de agua que se considera suficiente para que las probetas tengan contenidos de agua que difieran aproximadamente un 2% entre sí. El suelo se divide en las 3 partes necesarias para la prueba. Se coloca unas de las partes en el dónde junto con el mende apoyado sobre la base rígida se compacta el suelo con los golpes correspondientes al tipo de ensayo distribuyéndolos uniformemente por toda la superficie. Se vierte otra parte de la tierra en El Mundo y por la siguiente capa y se compacta de la misma forma que el anterior.-En la hora se realiza el ajuste de la curva de compactación con la del laboratorio. En obra se ajusta W in situ con un vehículo cisterna y se procede a compactar con vehículos compresores. Se verifica los resultados.

Etiquetas: ensayos, geotecnia, prospección, rocas, suelos