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DISEÑO Y CÁLCULO DE ESTRUCTURAS DE CIMENTACIÓN Y CONTENCIÓN MÓDULO 3. RECONOCIMIENTO DEL TERRENO TEMA 4. RECONOCIMIENTO DEL TERRENO. ENSAYOS.

AUTOR: JON GARCIA CABALLERO Página 1 de 19

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ÍNDICE

Página

1. INTRODUCCIÓN 2

2. RECONOCIMIENTO DEL TERRENO 3

2.1. ESTUDIO DE LOS MAPAS DISPONIBLES 3

2.2. ESTUDIO DE ZONAS ADYACENTES 3

2.3. OBSERVACIÓN DIRECTA DEL TERRENO 3

3. MÉTODOS DE RECONOCIMIENTO DEL TERRENO 5

3.1. RECONOCIMIENTO MANUAL 5

3.2. SONDEOS 5

3.2.1. Sondeos 5

3.2.2. Extracción de muestas 7

3.2.1. Perfiles estratigráficos 7

4. ENSAYOS IN SITU 9

4.1. ENSAYOS PENETROMÉTRICOS 9

4.2. ENSAYOS DE CARGA 9

4.3. ENSAYOS GEOFÍSICOS 11

5. ENSAYOS DE LABORATORIO 13

6. PLANIFICACIÓN DE LOS RECONOCIMIENTOS DE TERRENO 14

7. PROPIEDADES A DETERMINAR EN EL ESTUDIO GEOTÉCNICO 17

8. INFORME GEOTÉCNICO 18






1. INTRODUCCIÓN

El terreno es un medio natural, heterogéneo y anisótropo, lo que quiere decir que

serán necesarios estudios previos para conocer sus propiedades.

El reconocimiento del terreno se basa en la obtención de ciertos datos como tipo de

terreno y las distintas características del suelo, para poder asemejar y deducir su

comportamiento mediante datos previos.

Para cada uno de los estudios de terreno se requiere de una planificación previa y de

un cierto proceso iterativo entre lo que se desea obtener y los medios disponibles.

En un estudio de terreno, podemos diferenciar cuatro fases de estudio que nos

proporcionarán diferente información:

Estudio geológico: orden de magnitud kilómetros.

Estudio geotécnico: orden de magnitud 10 metros.

Estudios de laboratorio: orden de magnitud 10cm.

Estudio microscópico: orden de magnitud microscópico.

Cada estudio geotécnico es único, y aunque se tengan datos y antecedentes de una

zona determinada (aunque pueden ser útiles) debe completarse.

Habitualmente dentro del proyecto se destina una partida presupuestaria para el

reconocimiento del terreno del orden de 0,2-0,5% del total del proyecto.

La obtención de datos se llevará a cabo tanto en áreas localizadas como en áreas

más extensas para poder sacar unos valores medios útiles para conocer la naturaleza

y comportamiento del terreno.

Será habitual además que realicemos ensayos tanto in situ como en laboratorio

contrastando los resultados para obtener unos parámetros fiables para el cálculo

geotécnico.

Entre estos datos obtenidos mediante ensayos se debe obtener:

Estimación de parámetros a partir de correlaciones de ensayos in situ.

Geometría de los estratos, espesor, buzamientos (ángulo de los estratos),…

Estudios de:

o Deformabilidad

o Resistencia: a corto y largo plazo

o Permeabilidad

o Comportamiento hidrológico

o Historia de las tensiones a las que se ha sometido el suelo

Estudios particulares para el terreno en cuestión.

Por ejemplo, los parámetros más relevantes en:

Suelos arenosos serán: asociados a la resistencia y deformabilidad.

Suelos arcillosos serán: resistencia al corte sin drenaje y coeficiente de consolidación.






2. RECONOCIMIENTO PREVIO

2.1. ESTUDIO DE LOS MAPAS DISPONIBLES EN LA ZONA

Para la recopilación de la información necesaria habitualmente podemos obtener

mapas en distintas entidades públicas, pero que debemos contrastar con la realidad.

Algunos de los mapas que suelen estar disponibles son:

Mapas topográficos: escala habitual 1:50.000

Mapas geológicos: escala habitual 1:50.000

Mapas hidrogeológicos: escala habitual 1:100.000

Mapas geotécnicos (solo disponibles en algunas áreas): 1:25.000

2.2. ESTUDIO DE ZONAS ADYACENTES

Es común que para zonas cercanas a la del estudio se haya realizado un estudio

previo para alguna obra y cuya información puede sernos de utilidad, pero que

siempre debemos contrastar.

Estos son algunos de los datos que nos podrían ser de utilidad:

Posibles problemas con el nivel freático y cambios de éste en el tiempo.

Posible existencia de rellenos resultantes de antiguos vertederos.

Comprobación de la estabilidad a medio y largo plazo.

Erosión producida en cuencas fluviales.

2.3. OBSERVACIÓN DIRECTA DEL TERRENO

Antes de decidir qué tipos de reconocimientos se van a efectuar únicamente dada la

información previa disponible, conviene hacer una visita al terreno y que el

especialista decida los ensayos a realizad, lo cual puede abaratar el coste.

En líneas generales, los estudios a realizar comprenderán:

Topografía general del lugar.

Actividad geomorfológica (desprendimientos, escarpes, terrazas, depósitos

sedimentarios, cavidades,…)

Afloraciones de roca, trincheras, caminos, ríos,…

Estratigrafía, puntos de agua y vegetación.

Conducciones eléctricas, de agua y de gas.

Observación de estructuras dañadas en la zona e identificación de causas.






Incorporación de la experiencia local recurriendo a los organismos públicos.

Posibilidad de recoger alguna muestra de terreno.

Para hacer un resumen de la metodología a la hora de realizar un proyecto de

cimentación:

1. Partimos de los Datos disponibles y de la Exploración previa.

2. Realizamos los Ensayos de Campo

3. Elaboramos un Informe Geotécnico

4. Con el Informe Geotécnico, la Normativa vigente y los condicionantes

existentes.

5. Realizamos el Diseño de la Estructura

6. Durante el periodo de construcción y servicio realizamos un Control.






3. MÉTODOS DE RECONOCIMIENTO

3.1. RECONOCIMIENTO MANUAL

Aquel que realizamos sin la ayuda de medios mecánicos, por ejemplo palas, picos,

barrenas,…

Este reconocimiento puede ejecutarse mediante las herramientas citadas o mediante

la inspección de zanjas, pozos o túneles (prestar atención a la seguridad).

3.2. SONDEOS

Los sondeos se utilizan para la obtención de muestras y con ellas la creación de unos

perfiles del terreno.

3.2.1. Sondeos

Es el método más habitual cuando debamos realizar reconocimientos en profundidad

que necesiten de medios mecánicos.

El encargado del sondeo deberá estar presente en la perforación para interpretar los

posibles cambios de estrato, presencia de agua,… y finalmente elaborar un parte con

los datos obtenidos.

Existen múltiples tipos de sondeo:

POR INYECCIÓN DE AGUA

Consiste en: La extracción del suelo mediante la erosión del suelo provocada por la inyección de agua a presión

Profundidad: Hasta 20 metros

Suelos recomen.: Blandos y cohesivos

Suelos no reco.: Suelo duro y compacto, con presencia de bolos y gravas gruesas

Ventajas: Barato y sencillo

Desventajas: Suelo totalmente alterado, no se obtienen testigos

Comentario: En desuso

CON BARRENA HELICOIDAL

Consiste en: Se introduce una barrena helicoidal mediante el giro provocado por un motor hidraúlico, que provoca que el suelo salga a la superficie.

Profundidad: <20 metros

Suelos recomen.: Compacidad media

Suelos no reco.: Suelo duro y cementado, con presencia de bolos y gravas gruesas.

Ventajas: Barato y sencillo

Desventajas: Muestras totalmente alteradas, solo identificación básica






Comentario: Podemos obtener un pequeño testigo si colocamos un sacamuestras en la punta de la hélice.

PERFORACIÓN ROTATIVA

Consiste en: Cabeza perforadora de acero que gira accionada por un motor hidraúlico, y sobre la que se aplica una carga vertical regulable.

Profundidad: Grandes profundidades

Suelos recomen.: Todo tipo de terrenos ( inyeccion de agua en duros)

Suelos no reco.: Suelo con presencia de bolos y gravas gruesas

Ventajas: Obtención de testigo sin alterar.

Desventajas: Es caro

Comentario: Muy utilizado

Para evitar el calentamiento de la punta de acero se suele poner un sistema de refrigeración mediante agua sin demasiada presión para no alterar la muestra.

Si se realiza en suelos poco cohesivos se emplearán camisas o lodos bentoníticos para estabilizar las paredes del sondeo.

POR PERCUSIÓN

Consiste en: La profundización de una puntaza por golpeo dejando caer una masa sobre la cabeza de la barra.

Profundidad:

Suelos recomen.: Arenas y arenas arcillosas

Suelos no reco.: Suelo con presencia de bolos y gravas gruesas

Ventajas: Barato y sencillo. Obtención de testigo.

Desventajas: Ruido

Comentario: Testigos de gran calidad aunque la velocidad es menor.






3.2.2. Extracción de muestras

Además de la información obtenida en los sondeos, es importante analizar las

muestras obtenidas en los sondeos cada profundidades comprendidas entre 1 y 3

metros, que serán posteriormente analizadas en el laboratorio.

La muestra queda en cierta manera alterada en la extracción, para cuantificar la

alteración hay un coeficiente, que nos relaciona los diámetros de las paredes y del

tubo saca muestras:

𝐶𝑎 =𝐷2 − 𝑑2

𝑑2𝑥100

Si el valor de este coeficiente es menor a 10 se considera que la muestra esta

inalterada. Los tubos utilizados habitualmente cumplen este coeficiente.

Cuando las muestras se sacan manualmente, se llaman muestras bloque, y se

obtienen mediande galerías, túneles o catas.

Relación entre los tipos de obtención de muestras, calidad y tipo de suelo:

3.2.3. Perfiles estratigráficos

Una vez realizados todos los ensayos, como se ha comentado antes el sondista debe

realizar un parte que contenga toda la información relevante del suelo, lo que incluye

un perfil estratigráfico del terreno descrito en base a los testigos.






Este perfil estratigráfico y su correcta interpretación serán un material básico para la

redacción precisa del informe geotécnico correspondiente.






4. ENSAYOS IN SITU

4.1. ENSAYOS PENETROMÉTRICOS

Estudian la resistencia a la penetración que ofrece el suelo a una puntaza

normalizada. A partir de esta resistencia y mediante correlaciones se obtienen

parámetros de resistencia del terreno.

Dependiendo de cómo se hinque la puntaza tendremos dos métodos:

Hincado estático (CPT y CPTU): la puntaza se somete a una presión, que la

hinca a una determinada velocidad.

Hincado dinámico: la puntaza se somete al golpe de una masa que cae sobre

ella repetidas veces.

o Continuo (DP): se realiza el ensayo de una vez.

o Discontinuo (SPT): se realiza el ensayo en varias veces de

aproximadamente 2 metros de profundidad. El ensayo se obtiene en N,

que son el número de golpes necesarios para hincar 30cm.

4.2. ENSAYOS DE CARGA

Estudian la reacción del terreno ante la aplicación de una carga o una fuerza

controlada. Existen diferentes métodos:

Ensayo de Vane-Test:

Se hace girar a determinada velocidad unas paletas ortogonales que se han

hincado en el terreno. Este giro implica un esfuerzo hasta la rotura del suelo, y

midiendo ese esfuerzo (momento torson) podemos deducir la resistencia al

corte sin drenaje.

Es un ensayo barato y sencillo, pero con muchas desventajas.

Ensayo con presiómetro (PM y PMU):

Se introduce una célula en el interior de un sondeo previo, una vez introducida

la sonda ejerce una presión sobre las paredes del sondeo que induce a una

deformación. Si aumentamos esta presión podemos llegar a un momento en el

que el terreno se comporta plásticamente.

Con este ensayose pude conocer la resistencia al corte sin drenaje y el módulo

elástico del terreno.

En condiciones drenadas (PMU) es posible estimar la presión efectiva

horizontal del terreno.

Es un ensayo recomendable cuando se debe conocer el empuje horizontal del






terreno.

Es barato y de uso muy extendido, aunque tiene cierto nivel de error.

Ensayo de carga con placa:

Aplicamos una carga sobre una placa circulas que apoya sobre una superficie

horizontal de terreno y medimos el asiento vertical producido.

Se obtienen módulos de elasticidad en suelos de grano grueso como gravas o

escolleras.

Ensayo de corte in situ:

Se aplica una tensión normal y otra tangencial a un bloque de suelo,

induciendo a la muestra a tensiones de corte.

Es un ensayo útil para las zonas de contacto entre materiales distintos o juntas

de roca.

Es un método laborioso debido a la dificultad de ejecución.

Ensayo de permeabilidad:

Los siguientes ensayos sirven para determinar la permeabilidad del terreno

mediante la ley de Darcy.

Cuando no exista agua en el terreno, deberá asegurarse la continuidad del

agua entre el aparato y el suelo medido.

o Ensayo de Piezómetro de cuerda vibrante (muy utilizado):

Se transmite la presión intersticial del agua a una membrana atada a

una cuerda. La tensión de la cuerda será proporcional a la presión

intersticial.

Es un aparato fiable para medir la presión intersticial en un terreno.

o Ensayo Lefranc:

Mide el caudal de agua filtrado por un terreno en el interior de un sondeo

previo, de esta forma conociendo el gradiente es posible conocer la

permeabilidad.

o Ensayo Lugeon:

Se inyecta agua a presión al terreno midiendo al mismo tiempo el caudal

infiltrado.

Es parecido al ensayo Lefranc, pero se usa en terrenos poco

permeables y en rocas, donde es necesario ensayar una superficie

mucho mayor.

De igual forma es posible calcular la permeabilidad.






o Ensayo de bombeo:

Se usa para la determinación de la permeabilidad en una zona amplia

de terreno.

Dependiendo del tipo de acuífero que exista puede ensayarse de varias

formas diferentes.

El ensayo consiste en el bombeo del agua desde un pozo de sondeo y

la observación de la bajada de nivel en dos pozos cercanos sabiendo la

distancia de éstos al primero.

4.3. ENSAYOS GEOFÍSICOS

Este grupo de ensayos se encuentra dentro del grupo de procedimientos basados en

el uso de técnicas geofísicas mediante las cuales se obtienen parámetros geotécnicos

de interés a partir de cambios en las propiedades físicas de los materiales presentes

en el terreno.

En los estudios para construcción según el CTE no se permite el uso exclusivo de

métodos geofísicos, debiendo realizarse contrastes con sondeos o catas.

Ensayo eléctrico:

Se estudia las características del suelo a través de la medida de su resistividad

eléctrica. Esto es posible gracias a que las partículas de agua tienen

conductividad eléctrica (no se puede usar en terrenos con poco agua).

Se aplica un campo eléctrico mediante electrodos y se calcula la resistividad

del terreno.

Se puede obtener el tipo de suelo y la distribución de agua en su interior.

(En ciudades pueden darse corrientes parásitas)

Ensayos sísmicos:

Se mide la velocidad de propagación de las ondas de vibración provocadas por

un impacto mecánico, y recibidas por un sensor a una distancia conocida.

Se crean ondas transversales (S) y longitudinales (P).

Ensayos en superficie:

o Ensayo sísmico de refracción: (muy usado)

Adecuado para la medida de módulos de elasticidad y determinación de

profundidad de estratos.

Se basa en el hecho de que una onda al cambiar de medio de

propagación se refracta cediendo energía, de esta manera sabemos que

una onda al refractarse es que cambia de estrato.






Es un ensayo muy utilizado porque es fácil, rápido y el equipamiento es

muy compacto

o Ensayo de reflexión:

Se usa para grandes áreas (estudios geológicos a gran escala), poco

usado en geotecnia.

Ensayos de profundidad:

o Ensayo up-hole: (poco usado)

Sensor en superficie y carga móvil en profundidad.

o Ensayo down-hole: (poco usado)

Carga en superficie y sensor en el sondeo.

o Ensayo cross-hole: (muy usado)

Carga y sensor en el sondeo (ensayo cruzado).

Utiliza dos sondeos en los que se miden los tiempos de llegada de unas

ondas, lo que mejora la fiabilidad y exactitud.

Se obtienen el módulo de elasticidad, los diferentes estratos y la

profundidad de estos.

Ensayo con técnicas de radar (georadar o GPR):

Consiste en la emisión de impulsos electromagnéticos que al atravesar

diferentes capas de suelo provoca una reflexión de la energía de la onda, el

receptor detecta dichas variaciones y genera un registro de la profundidad del

subsuelo a lo largo de toda la línea de desplazamiento de la antena.






5. ENSAYOS DE LABORATORIO






6. PLANIFICACIÓN DE LOS RECONOCIMIENTOS DE TERRENO

Para la programación de los reconocimientos del terreno se deben tener en cuenta

todos los datos relevantes de la parcela (topografía, urbanística, dimensiones, plantas

del edificio) además de los datos de previos reconocimientos.

Clasificaremos la obra y el terreno según la siguiente tablas 3.1. y 3.2. del DBSE-C:

Como norma general como mínimo se deberán realizar estudios en 3 puntos.

En la siguiente tabla se muestran la relación de distancias entre puntos estudiados

que nunca se deben sobrepasar y las profundidades orientativas (mínimas).






En la siguiente tabla se establece el número mínimo de sondeos mecánicos y el

porcentaje que se puede sustituir por pruebas continuas de penetración cuando se

haya superado el número mínimo.

La cota de profundidad de los sondeos deberá cumplir el mínimo anterior, y además

debe ser aquella en la cual el aumento neto de la tensión en el terreno bajo la presión

del edificio sea inferior al 10% de la tensión efectiva vertical existente en el terreno

antes del edificio, o cuando se haya alcanzado un estrato resistente.

Este estrato resistente debe tener 2 metros de espesor y 0.3m más por cada planta

del edificio.

Si se prevén cimentaciones profundas, la tensión neta anterior se calculará

suponiendo el peso del edificio a una profundidad de las dos terceras partes de la

longitud de los pilotes.

En caso de tener terrenos T-3 se intercalarán puntos de reconocimiento en las zonas

problemáticas hasta definirlas adecuadamente.

En el siguiente esquema se muestra cómo emplazar los puntos de reconocimiento:






7. PROPIEDADES A DETERMINAR EN EL ESTUDIO GEOTÉCNICO

De entre las numerosas características de los suelos que hemos visto que podemos

conseguir mediante los ensayos, hay algunas que son más esenciales según los

modelos de cálculo que utilizaremos para cada tipo de terreno.

En anteproyectos se permite la estimación de parámetros a partir de tablas

recopilatorias, pero deben ser calculadas precisamente en el informe definitivo.

A continuación en la tabla se muestran los parámetros más importantes según el tipo

de terreno.






8. INFORME GEOTÉCNICO

1. Definición y localización

Se definirá la estructura a construir y se incluirá un plano de la situación

general (escala provincial) y otro de detalle del solar a escala de detalle

(mínimo 1:500).

2. Antecedentes e información previa

Se recogerán en forma ordenada todos los antecedentes de la zona, así como

la información que se haya podido obtener respecto a los documentos ya

comentados.

3. Trabajos realizados

Se indicará el número, tipo y localización en el plano de planta de todos los

reconocimientos realizados, incluyendo la toma de muestras y los ensayos in

situ.

4. Encuadre geológico

El área de estudio se enmarcará en la geología general de la región y de la

zona en particular, definiendo las características:

Litológicas

Estructurales

Geomorfológicas

Sismotectónicas

Se prestará especial atención a los niveles freáticos y otras características

hidrogeológicas.

5. Estratigrafía y naturaleza del terreno

Se dibujarán perfiles estratigráficos o mapas de isolineas, definiendo

completamente las profundidades y naturaleza de los estratos.

6. Evaluación de propiedades geotécnicas

Con base a los ensayos de laboratorio, pruebas in situ y experiencia del

ingeniero se propondrán los parámetros geotécnicos a utilizar para cada capa

del terreno en los cálculos de las cimentaciones o estructuras de contención.

7. Recomendaciones sobre el tipo de cimentación

Alternativas de cimentación a considerar.

Las presiones de trabajo y las cotas de cimentación de las

eventuales cimentaciones superficiales, así como los asientos

asociados a las mismas.






Las profundidades y capacidad portante de cimentaciones

profundas.

La zonificación del terreno cuando sean recomendables distintos

tipos de cimentación, o la ocupación de áreas preferenciales.

Cualquier indicación de interés para el proyecto y ejecución de las

cimentaciones.

8. Otras indicaciones:

Problemas de iteración con edificios próximos o de alteración de las

condiciones del entorno.

Facilidad de excavación.

Análisis de inestabilidad en la excavación y posibles medidas

preventivas o correctoras.

Medidas de diseño antisísmico en las cimentaciones.

Agresividad del terreno y del agua freática frente a obras enterradas

y las medidas a adoptar.

9. Anejos:

Las columnas de sondeo, catas, pruebas de penetración,…

Los resultados de los ensayos de laboratorio.

La documentación fotográfica del solar, de las excavaciones, de los

testigos,…

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