ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS
EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
Facultad de Ingeniería Civil
Mecánica de Suelos II Dr. Ing. Zenón Aguilar Bardales
1
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN GENERAL
METODOLOGÍA DE UN ESTUDIO GEOTÉCNICO
EXPLORACIÓN DIRECTA DE CAMPO
EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE
MÉTODOS GEOFÍSICOS
ENSAYOS DE LABORATORIO
CONCLUSIONES
2
3
4
5
6
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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.
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- 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
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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)
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EXPLORACIÓN DE CAMPO CON
CALICATAS Y POSTEADORA
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- 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 estratigrafía
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- 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
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10 cm
Extensión
POSTEADOR
Ø 3" - 8"
Post hole Digger
O 2" - 3 1/2"
O 2" - 3 1/2" O 2" - 5 1/2"
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EXPLORACIÓN DE CAMPO CON
ENSAYOS DE PENETRACIÓN
ESTÁNDAR - (SPT)
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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
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Trípode de tubos
f 2 1/2”
Manguera
Mango para rotación
parcial de la barra
Terreno
Natural
Soga f 1 ”
Depósito de
agua de lavado
Barra de
perforación
Cincel
Motor con caja
reductora Forro
Bomba
Polea para la soga
Elevador
CINCEL
RECTO
BARRA CON
UNION
CINCEL DE
CRUZ
SOSTENEDOR DE
BARRAS
ELEVADOR
PERFORACIÓN POR LAVADO “WASH BORING”
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Martillo
Guía de
hinca
Cabezal de
hinca
Trípode de Tubo de
diámetro f 2 1/2”
F 1 1/2”
Cuchara
Cadena de
fierro
Guía
CUCHARA
F 2” - 4 1/2”
MARTILLO
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR - SPT
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C) REGISTRO DE PENETRACIÓN
Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar
los últimos 30 cm de un total de 45 cm. Se cuenta el número
de golpes cada 15 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.
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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
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Consistencia y Resistencia de Suelos Cohesivos
Número de Golpes
Consistencia Resistencia a la
Compresión 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
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Correlación de N (SPT) con la resistencia cortante no drenada
(Su) de suelos cohesivos de diferentes plasticidades (ref. NAVFAC, 1971)
Su (tsf)
25
20
15
10
5
1.0
27
0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 0.5 3.5
TERZAGHI
y PECK
Arcilla de
plasticidad media
Arcilla de
alta plasticidad
SOWERS
arcilla de
baja plasticidad
NSPT Rígida
30
16
2
32
8
4
Dura
Muy Blanda
Firme
Blanda
Muy
Dura
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EXPLORACIÓN DE CAMPO CON
ENSAYOS DE PENETRACIÓN CONO
HOLANDÉS - (CPT)
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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 (fext=3.6 cm y f 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.
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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
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3
Punta Cónica Copla
Funda cilíndrica Barra sólida
Funda de fricción
2
3 4 5
B
1
F 35.7 m m
60°
F 23 m m F 20 m m
F15
133 m m 47 m m
F12.5 m m
F 30 m m
A
F 32.5 m m
B
1
5
4 POSICION CERRADA
POSICION EXTENDIDA
A
F 36
265 m m
69 m m
2
ENSAYO DE PENETRACIÓN CONO HOLANDÉS
Esquema de Punta Cónica
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D) DETERMINACIÓN LA RESISTENCIA
qc =
donde :
Qc = fuerza para hincar el cono en kg
Ac = área transversal del cono
qc = resistencia de la punta
QC
Ac
FC
Ac
fs =
donde :
Fc = fuerza para hincar el cono y la funda en kg
AS = área lateral de la funda
fS = resistencia por fricción
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GRÁFICA DE PENETRACIÓN ESTÁTICA
Resistencia de fricción fs, kg/cm2
qs
fs
20
2
30 50 10 60 40 0
3
5
1
6
7
0.6
4
1.2 0.2 0.4 0.8 0
Pro
fun
did
ad
, m
Resistencia de punta qc, kg/cm2
1.0
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E) CORRELACION CON EL ENSAYOS DE PENETRACION
ESTANDAR
Tipos de Suelos qc/N
Limos, limos arenosos, mezclas de limo
arena-arena ligeramente cohesiva 2.0
Arenas limpias a medias y arenas
ligeramente limosa 3.5
Arenas gruesas y arenas con algo de
grava 5
Gravas arenosas y gruesas 6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVILCISMID - LABORATORIO GEOTECNICO
REGISTRO 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.
::::
::
:
:
:
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4. EXPLORACIÓN INDIRECTA A TRAVÉS DE
MÉTODOS GEOFÍSICOS
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EXPLORACIÓN
GEOFÍSICA
GRAVIMÉTRICO
MAGNETOMÉTRICO
SISMOLÓGICO
ELÉCTRICO
GEOTÉRMICO
RADIOACTIVO
DIRECTA
V1
V2
i r
REFRACTADA
ic ic
REFLEXIÓN
SÍSMICA
REFRACCIÓN
SÍSMICA
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Métodos Geofísicos Sísmicos
• Ensayos de Reflexión y Refracción Sísmica
• Ensayos down hole, up hole y cross hole
• Ensayos de vibración superficial (ondas Rayleigh)
• Ensayo con el Cono Sísmico
• Ensayo con la Sonda de Suspensión
• Medición de Microtrepidaciones
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MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA
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ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA
• Determinación de Perfiles Sísmicos del Subsuelo
• Medición de Velocidades de Propagación de las Ondas
P y en algunos casos de las Ondas S.
• Determinación de los Parámetros Dinámicos del Suelo
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Ensayo de refracción sísmica
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Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos
(Ensamblado final)
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Geófono vertical y cable conductor de señales
para realizar ensayos de refracción sísmica y
ensayos en pozo abierto de poca profundidad
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FUNDAMENTO TEÓRICO
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Disparo
Frente de Ondas
t1 t2
t3 t4
t5 t6 t7 t8
Xc
Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de
Dos Estratos a tiempos t1, t2,...
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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.
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Refracción de Trayectoria de los Rayos a Través de
una Frontera entre Dos Medios Elásticos
a
Estrato 1
Velocidad = V1
Velocidad = V2
Estrato 2
Angulo Crítico
de Incidencia
r
a =
Fuente
i
sen i V1
sen r V2 =
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DIRECTA
V1
V2
i r
REFRACTADA
ic
ic
• 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
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PROCEDIMIENTO DEL
ENSAYO
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ENSAYO DE REFRACCIÓN SISMICA
PLANEACIÓN
OPERACIÓN Y
OBSERVACIÓN
DE CAMPO PREPARACION
DE LOS DATOS
INTERPRETACION
DE RESULTADOS
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OPERACIÓN Y OBSERVACIÓN DE CAMPO
DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE TENDIDO
DETERMINACION DE LA GEOMETRÍA DE LOS PUNTOS DE IMPACTO
L
h L > 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
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INTERPRETACIÓN DE
RESULTADOS
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Caso Simple de Dos Estratos con Límites Planos y Paralelos
Curva Tiempo - Distancia Correspondiente
D1
=XC
2
2V 1V-
V2V + 1
DISTANCIAT
IEM
PO
TIEMPO DE
INTERSECCION,
DISTANCIA CRITICA, X C
v1
1
2v
1
Ti
DISPARO
E
F G
H
D 1a
SIN = av1
2
v(
1v
2v
t
X
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APLICACIONES
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Determinación de la superficie de deslizamiento
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PERFIL ESTRATIGRAFICO
Puente 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)
Co
ta (
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
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VENTAJAS
• Permite cubrir rápidamente grandes áreas a un costo comparativamente bajo.
• No altera ni modifica las condiciones y propiedades
naturales de las rocas y suelos.
• El ensayo no es estorbado por boleos, cantos rodados
ni gravas gruesas.
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VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGÚN LA NORMA ASTM-D5777
Descripción
pie/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
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ENSAYO DOWN HOLE
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Esquema del Ensayo Down Hole
CILINDRO
DE GAS REGULADOR
AMPLIFICADOR
MONITOR
MONITOR
DE DATOS
CARGA
TABLA
ONDAS S
TRANSDUCTOR DE 3
COMPONENTES
TUBO DE
CAUCHO
ONDAS P
POZO
ESTACA
MARTILLO
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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
20 20.3 20.8
Pro
fun
did
ad
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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
20 20.3 20.8
Pro
fun
did
ad
(m
)
(Ondas S)
Registros de
Ondas S
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Determinación de Propiedades Dinámicas
de los Materiales.
r = 0.2 Vp 0.25
n = (Vp /Vs )
2 - 2
2 ((Vp /Vs )2 - 1)
Ed = 2 (1 + n )G
Gd = r Vs 2
Donde:
r = densidad volumétrica.
n = relación de Poisson.
Gd = módulo de corte.
Ed = módulo de Young.
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tiempo de Viaje ( x 10 ) sec.-2m
Tipode
Suelo
Valor de N
10 20
580 210
100
140
120
195
150
155msec
Vs =
1.35 mm
Vp =
1300 msec
1890
Owi IslandN°1Tokyo
C2Bay5
10
15
20
Ejemplo de Prospección de velocidades por el método Downhole