Facultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería Civil

CURSO : MECÁNICA DE SUELOS

TEMA : MÉTODOS DE PERFORACIONES

DOCENTE : ING. SHEYLA YULIANA CORNEJO RODRIGUEZ

ALUMNO : MEDINA DOMINGUEZ, Deyvin

CICLO : IV

Trujillo – Perú2014

MÉTODOS DE PERFORACIONES

Pozos a cielo abierto o calicatas: 

Cuando este método sea practicable debe considerársele como el más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo, ya que consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para que un técnico pueda directamente bajar y examinar los diferentes estratos de suelo en su estado natural, así como darse cuenta de las condiciones precisas referentes al agua contenida en el suelo. Desgraciadamente este tipo de excavación no puede llevarse a grandes profundidades a causa, sobre todo, de la dificultad de controlar el flujo de agua bajo el nivel freático; naturalmente que el tipo de suelo de los diferentes estratos atravesados también influye grandemente en los alcances del método en sí.

Deben cuidarse especialmente los criterios para distinguir la naturaleza del suelo "in situ" y la misma, modificada por la excavación realizada. En efecto, una arcilla dura puede, con el tiempo, aparecer como suave y esponjosa a causa del flujo de agua hacia la trinchera de excavación; análogamente, una arena compacta puede presentarse como semifluida y suelta por el mismo motivo. Se recomienda que siempre que se haga un pozo a cielo abierto se lleve un registro completo de las condiciones del subsuelo durante la excavación, hecho por un técnico conocedor.

En estos pozos se pueden tomar muestras alteradas o inalteradas de los diferentes estratos que se hayan encontrado.

Perforaciones con posteadora, barrenos helicoidales o métodos similares:       

En estos sondeos exploratorios la muestra de suelo obtenida es completamente alterada, pero suele ser representativa del suelo en lo referente a contenido de agua, por lo menos en suelo muy plástico.

Los barrenos helicoidales pueden ser de diferentes tipos no sólo dependiendo del suelo por atacar, sino de acuerdo con la preferencia particular de cada perforista. Un factor importante es el paso de la hélice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y mucho más abierto para el muestreo en suelos plásticos.

Posiblemente más usadas que los barrenos son las posteadoras a las que se hace penetrar en el terreno ejerciendo un giro sobre el mineral adaptado al extremo superior de la tubería de perforación. Las herramientas se conectan al extremo de una tubería de perforación, formada por secciones de igual longitud, que se van añadiendo según aumenta la profundidad del sondeo.

 En arenas colocadas bajo el nivel de aguas freáticas estas herramientas no suelen poder extraer muestras y en esos casos es preferible recurrir al uso de cucharas especiales, de las que también hay gran variedad de tipos.

Las muestras de cuchara son generalmente más alteradas todavía que las obtenidas con barrenos helicoidales y posteadoras; la razón es el efecto del agua que entra en la cuchara junto con el suelo, formando en el interior una seudosuspensión parcial del mismo. Es claro que en todos estos casos las muestras son cuando mucho apropiadas solamente para pruebas de clasificación y, en general, para aquellas pruebas que no requieran muestra inalterada. El contenido de agua de las muestras de barreno suele ser mayor del real, por lo que el método no excluye la obtención de muestras más apropiadas, por lo menos cada vez que se alcanza un nuevo estrato.

            Frecuentemente es necesario ademar o revestir el pozo de sondeo, lo cual se realiza con tubería de hierro, hincada a

golpes, de diámetro suficiente para permitir el paso de las herramientas muestreadoras. En la parte inferior una zapata afilada facilita la

penetración. A veces, la tubería tiene secciones de diámetros decrecientes, de modo que las secciones de menor diámetro vayan entrando en las de mayor. Los diferentes segmentos se retiran al fin del trabajo usando gatos apropiados.

Para el manejo de los segmentos de tubería de perforación y de ademe, en su caso, se usa un trípode provisto de una polea, a una altura que permita las manipulaciones necesarias. Los segmentos manejados se sujetan a través de la polea con cable de manila o cable metálico inclusive: los operadores pueden intervenir manualmente en las operaciones, guiando y sujetando los segmentos de tubería de perforación por medio de llaves de diseño especial propias para esas maniobras y para hacer expedita la operación del atornillado de los segmentos.

            Un inconveniente serio de la perforación con barrenos se tiene cuando la secuencia estratigráfica del suelo es tal que a un estrato firme sigue uno blando. En estos casos es muy frecuente que se pierda la frontera entre ambos o aun la misma presencia del blando.

El error anterior tiende a atenuarse accionando el barreno helicoidal tan adelantado respecto al ademe como lo permita el suelo explorado.

Método de lavado

Este método constituye un procedimiento económico y rápido para conocer aproximadamente la estratigrafía del subsuelo. El método se usa también en

ocasiones como auxiliar de avance rápido en otros métodos de exploración. Las muestras obtenidas en lavado son tan alteradas que prácticamente no deben ser consideradas comosuficientemente representativas para realizar ninguna prueba de laboratorio.

El equipo necesario para realizar la perforación

incluye un trípode con polea y martinete suspendido, de 80 a 150 Kg de peso, cuya función es hincar en el suelo a golpes el ademe necesario para la operación. Este ademe debe ser de mayor diámetro que la tubería que vaya a usarse para la inyección del agua. En el extremo inferior de la tubería de inyección debe ir un trépano de acero, perforado, para permitir el paso del agua a presión. El agua se impulsa dentro de la tubería por medio de una bomba.

La operación consiste en inyectar agua en la perforación, una vez hincado el ademe, la cual forma una suspensión con el suelo en el fondo del pozo y sale al exterior a través del espacio comprendido entre el ademe y la tubería de inyección; una vez fuera es recogida en un recipiente en el cual se puede analizar el sedimento. El procedimiento debe ir complementado en todos los casos por un muestreo con una cuchara del trépano; mientras las características del suelo no cambien será suficiente obtener una muestra cada 1,50 m aproximadamente, pero al notar un cambio en el agua eyectada debe procederse de inmediato a un nuevo muestreo. Al detener las operaciones para un muestreo debe permitirse que el agua alcance en el pozo un nivel de equilibrio, que corresponde al nivel freático (que debe registrarse). Cualquier alteración de dicho nivel que sea observada en los diferentes muestreos debe reportarse especialmente.

Método de penetración estándar 

Este procedimiento es, entre todos los exploratorios preliminares, quizá el que rinde mejores resultados en la práctica y proporciona más útil información en torno al subsuelo y no sólo en lo referente a descripción.

Fig. 5.7 Penetrómetro Estandar

 

En suelos puramente friccionantes la prueba permite conocer la compacidad de los mantos que es la característica fundamental respecto a

su comportamiento mecánico. En suelos plásticos la prueba permite adquirir una idea, si bien tosca, de la resistencia a la compresión simple.

Además el método lleva implícito un muestreo, que proporciona muestras alteradas representativas del suelo en estudio.

El equipo necesario para aplicar el procedimiento consta de un muestreador especial de dimensiones establecidas (Fig. 5.7).  Es normal que el penetrómetro sea de media caña, para facilitar la extracción de la muestra.

La utilidad e importancia mayor de la prueba de penetración estándar radica en las correlaciones realizadas en el campo y en el laboratorio en diversos suelos, sobre todo arenas, que permiten relacionar aproximadamente la compacidad, el ángulo de fricción interna en arenas y el valor de la resistencia a la compresión simple en arcillas, con el número de golpes necesarios en ese suelo para que el penetrómetro estándar logre entrar los 30 cm especificados.

Método de penetración cónica

Estos métodos consisten en hacer penetrar una punta cónica en el suelo y medir la resistencia que el suelo ofrece. Existen diversos tipos de conos.

Dependiendo del procedimiento para hincar los conos en el terreno, estos métodos se dividen en estáticos y dinámicos. En los primeros la herramienta se hinca a presión, medida en la superficie con un gato apropiado; en los segundos el hincado se logra a golpes dados con un peso que cae.

            En la prueba dinámica puede usarse un penetrómetro atornillando al extremo de la tubería de perforación, que se golpea en su parte superior de un modo análogo al descrito para la prueba de penetración estándar. Es normal usar para

esta labor un peso de 63,5 Kg, con 76 cm de altura de caída, o sea la misma energía para la penetración usada en la prueba estándar. También ahora se cuenta los golpes para 30 cm de penetración de la herramienta.

                A modo de resumen podría decirse que las pruebas de penetración cónica, estática o dinámica, son útiles en zonas cuya estratigrafía sea ya ampliamente conocida a priori y cuando se desee simplemente obtener información de sus características en un lugar específico; pero son pruebas de muy problemática interpretación en lugares no explorados a fondo previamente. La prueba de penetración estándar debe estimarse preferible en todos los casos en que su realización sea posible.

Perforaciones en boleos y gravas

Con frecuencia es necesario atravesar durante las perforaciones estratos de boleos o gravas que presentan grandes dificultades para ser perforados con las herramientas hasta aquí descritas. En estos casos se hace necesario el empleo de herramientas de mayor peso, del tipo de barretones con taladros de acero duro, que se suspenden y dejan caer sobre el estrato en cuestión, manejándolos con cables. En ocasiones se ha recurrido, inclusive, al uso localizado de explosivos para romper la resistencia de un obstáculo que aparezca en el sondeo.

Pilotes perforados encamisados

Este procedimiento de construcción de pilotes se realiza perforando el terreno y colocando una camisa o entubación para contener las paredes de la perforación. Podrían distinguirse dos tipos, los que recuperan la entubación o los que dejan dicha entubación perdida.

Pilote in situ de extracción con entubación recuperable: Este tipo de pilote se ejecuta excavando el terreno y utilizando una camisa (tubo metálico a modo de encofrado), que evita que se derrumbe la excavación. Una vez completado el vaciado, y según se va hormigonando el pilote, se va retirando gradualmente la camisa, que puede ser reutilizada nuevamente. Normalmente se usa como pilotaje de poca profundidad trabajando por punta, apoyado en roca. También como pilotaje trabajando por fuste en terreno coherente de consistencia firme, prácticamente homogéneo.

Pilote in situ de extracción con camisa perdida: Se ejecuta por el mismo sistema del tipo in situ de extracción con entubación recuperable, con la diferencia de que la camisa metálica no se extrae, sino que queda unida definitivamente al pilote. Usualmente como pilotaje trabajando por punta apoyado en roca o capas duras de terreno y siempre que se atraviesen capas de terreno incoherente fino en presencia de agua, o exista flujo de agua y en algunos casos con capas de terreno coherente blando; cuando existan capas agresivas al hormigón fresco. La camisa se utilizará para proteger un tramo de los pilotes expuesto a la acción de un terreno agresivo al hormigón fresco o a un flujo de agua. La longitud del tubo que constituye la camisa será tal que, suspendida desde la boca de la perforación, profundice dos diámetros por debajo de la capa peligrosa.

Perforación con hélice corta

Cuando se trata de perforaciones de diámetros elevados y la extracción del material se realiza de forma discontinua, se utiliza la perforación con hélice corta (intermittent augering). Con este procedimiento se pueden abrir perforaciones de hasta unos 2,5 m de diámetro y profundidades de hasta unos 50 m. El terreno debe ser lo suficientemente seco y cohesivo para evitar derrumbes en las paredes. En caso contrario, se debería recurrir a la perforación con lodos y extracción con cazo.

Perforación a rotación

Las técnicas de rotación usando circulación de fluidos para la eliminación de los detritus de la perforación son efectivas para pequeños o moderados diámetros a cualquier profundidad, dentro de la capacidad de la máquina. En rotación convencional (Circulación Directa), el fluido de perforación es bombeado por el interior del varillaje al fondo del pozo, retornando a la superficie por el espacio anular resultante entre este varillaje y la perforación. En el barrido desde el fondo este fluido transporta el detritus a la superficie permitiendo el avance de la perforación. 

No son habituales diámetros mayores de 450 mm (18 pulgadas). Utiliza como principio aplicar energía a la roca/suelo, haciendo rotar una

herramienta al tiempo que la somete a la acción de empuje, lo que depende de la capacidad de la máquina. Otro factor limitante es la capacidad de bombeo de lodo, ya que en función del diámetro perforado, precisará de suficiente velocidad de elevación para eliminar el detritus. Es igualmente determinante controlar la viscosidad del fluido de perforación, pues también condiciona su capacidad de transporte de detritus, hallando en los biopolímeros el mejor compuesto para estos fines.

En Circulación Inversa, el flujo, como su nombre indica, circula en sentido contrario al método convencional; es decir, el fluido de perforación y el detritus es elevado a la superficie por el interior del varillaje hasta la balsa de lodos por succión (depresión) o por Air-Lift. Una vez el lodo clarificado, retorna a la perforación por el espacio anular entre el varillaje y la perforación. Dado que la velocidad ascensional del lodo en el interior del varillaje es elevada, no precisa crear un fluido viscoso, por lo que presenta mayor eficiencia ante el posterior desarrollo del pozo. Un diámetro habitual de trabajo es de 600 mm (24 pulgadas), pudiendo ser mayor. El método de perforación por Circulación Inversa depende del potencial del agua para contener las paredes de la perforación, precisando un mínimo de 3 metros de columna desde el fondo de la perforación. Ante suelos de alta transmisividad, igualmente puede ser requerido un elevado ratio de bombeo de fluido de perforación, dadas las perdidas, o bien se puede necesitar algún aditivo para impermeabilizar las paredes de la perforación, que posteriormente deberá ser eliminado mediante el debido desarrollo.

APLICACIONES

Las perforaciones ejecutadas con método a rotación, con uso de fluidos (aire, lodos, geles, biopolímeros, etc.) para la eliminación del detritus, presentan como principal ventaja su celeridad en el avance, así como las cotas alcanzables en profundidad.

Estas circunstancias hacen que este método de perforación encuentre uno de sus principales campos de aplicación en los sondeos de investigación y reconocimiento de acuíferos, de costereducido en pequeños diámetros, que permite analizar la viabilidad de un posterior ensanchamiento del diámetro de la perforación para la explotación del acuífero, mediante la instalación de los equipos de bombeo oportunos.

El ensanche de estas perforaciones puede plantearse entre las variantes del método a rotación o bien por percusión o cable, en función de las profundidades requeridas y tipos de suelos a perforar.

Por su mecánica de ejecución, y especialmente por el uso de fluidos durante el proceso de perforación, no es aconsejable su aplicación en aquellos sistemas donde la inalterabilidad de la permeabilidad debe ser preservada en su máximo grado, tal como es el caso de los Bombeos de Ensayo en los que se pretende determinar los parámetros hidrodinámicos del subsuelo (Conductividad Hidráulica, Transmisividad y Coeficiente de Almacenamiento). Igualmente, no es aconsejable este método de ejecución de perforación cuando ésta tenga por objeto el control de nivel piezométrico en obra civil y edificación, ya que la alteración de la permeabilidad por el uso de lodos de perforación puede generar importantes pérdidas de carga sobre el flujo de agua al pozo, exigiendo un mayor gradiente hidráulico del pretendido, viéndose mermada la eficiencia del mismo.

Como campo general la aplicación se sitúa en la captación de aguas subterráneas para suministro urbano, agrícola, industrial, refrigeración, etc.Arriba

Perforación a percusión a cable

El principio de perforación a percusión o cable es el fragmentado o rotura del suelo mediante el golpeo de una pesada herramienta de corte (trépano), suspendida de un cable de acero trenzado con una frecuencia de golpeo en el entorno de 40 a 50 impactos/minuto, en función de los parámetros mecánicos del suelo perforado.

Este cable se encuentra constituido por una serie de mallas de hilo de acero no-preformado sometido a torsión en sentido izquierda, lo que se traduce en cada impacto y debido al avance de la perforación, en un giro parcial en sentido derecha con su correspondiente elongación con tendencia de apriete de las roscas del conjunto del elemento perforador.

Cuando la tensión del cable vence el par de giro a que es sometido en su elongación, súbitamente se produce un giro a izquierda, recupera su posición inicial y comienza un nuevo ciclo; el operador de máquina, en ese

momento, permitirá o no la entrega de cable en función del avance real ejecutado por el trépano, siendo 150 mm de elevación un valor promedio de liberación al par de giro.

La perforación se inicia con el hincado de un tramo de tubería, generalmente de longitud inferior a 2 metros y de diámetro (700 mm, 800 mm) mayor que el diámetro a perforar, a modo de guía inicial del trépano.Desde el inicio la perforación es alimentada con agua externa, hasta que es interceptada el agua propia del terreno. La acción del trépano mezcla el agua con el suelo fragmentado, generando un lodo viscoso cuya extracción se lleva acabo periódicamente con una válvula, también conocida como “cuchara”.

APLICACIONES:

Con este método para la perforación de suelos no consolidados y por tanto inestables, no son utilizados fluidos viscosos, tales como bentonitas o geles, que pudieran alterar la permeabilidad original del suelo. La estabilidad de las paredes de la perforación es garantizada mediante el uso de tuberías auxiliares recuperables. Por ello, una de sus aplicaciones con mayor eficiencia es la de su utilización para la ejecución de pozos para “Ensayo de Bombeo”, con el que se pretende determinar los parámetros hidrogeológicos de los suelos en cada caso, concretamente la Conductividad Hidráulica, Transmisividad y Coeficiente de Almacenamiento.

Entre sus aplicaciones esenciales, cuentan las de captación de aguas subterráneas para suministro urbano, agrícola e industrial. Otros usos menos frecuentes, pero que igualmente encuentran eficiencia óptima son en el área de las perforaciones con fines de recarga artificial de aguas subterráneas, procedente de las lluvias o de otras perforaciones de captación próximas, pues su mayor diámetro permite espacios anulares que posibilitan tanto la ejecución de potencias cementadas, sellos o empaques graduados, así como la instalación de tuberías y filtros adecuados.

Con menor uso, pueden ser practicados en el control de aguas subterráneas en obra civil y edificación. Este menor uso se justifica por su mayor coste, tanto económico como en tiempo deejecución, frente a sistemas alternativos (sistemas Duplex o Dual, como perforación OD).

Los menores casos en los que sí debe ser utilizado este método son en aquellos proyectos de control de aguas en ingeniería civil, en los que el ratio de bombeo por punto esperado sea elevado, en torno a 30 l/s o superior, dado el diámetro de perforación requerido para la instalación de los correspondientes equipos de bombeo.

Perforación OD

El sistema de perforación OD, consiste en perforar en dual, con avance simultáneo de una tubería exterior auxiliar y un varillaje conductor del elemento perforador propiamente dicho en su interior, ambos en giro solidario o independiente, dependiendo de las características de la maquinaria utilizada. Por ello también es conocido como “Duplex”.

La finalidad de la tubería exterior es la de contención de las paredes de la actuación, lo que evita el uso de lodos viscosos de perforación (bentoníticos, geles. Biopolíme ros), bastando el uso de agua limpia o propia del suelo y/o aire como fluido de circulación para la extracción del detritus.

Encuentra su mayor ventaja en los cortos plazos de ejecución por su celeridad en el avance, con un resultado óptimo de inalterabilidad de la permeabilidad del suelo.

Por otro lado, su mayor limitación la encuentra en el diámetro de perforación de hasta 300 mm. Estos diámetros posibilitan el diseño de la perforación de acuerdo a las necesidades de cada caso, determinado por las condiciones geomecánicas del suelo y el objeto del propio pozo.

El espacio de corona anular resultante entre la perforación y la tubería definitiva de mínimo 37 mm permiten la ejecución de cementado, sellado y colocación de empaque de granular filtrante, condicionado por las características del suelo sondeado.

APLICACIONES

Por la propia mecánica de ejecución, cuya principal característica es la velocidad de avance e inalterabilidad de la permeabilidad del suelo sondeado, tiene su óptima eficiencia en la aplicación de control de nivel

piezométrico en obra civil y edificación, principalmente en terrenos inestables, como son los detríticos cuaternarios. La limitación del diámetro perforado no debe ser considerada en esta aplicación, ya que el diámetro (300 mm), es considerado como valor máximo y suficiente para la instalación de equipos de bombeo de baja capacidad, a favor de la discretización del bombeo, de ratios inferiores a 25 l/s en cualquier caso, ya que no deben ser superadas las velocidades características de erosión de suelos.

Esta maquinaria ha sido montada sobre bastidor con orugas, lo que le permite movilidad y rodadura en firmes de cierto grado de inestabilidad, en los que no es posible la circulación convencional. Sus dimensiones, principalmente de galibo reducido, le permiten actuar en zonas cubiertas, tales como túneles y en general pasos subterráneos e incluso bajo estructuras cubiertas en superficie.

BIBLIOGRAFÍA:

http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/exploracM2.htm http://www.buenastareas.com/ensayos/Tipos-De-Perforaciones/

6867803.html http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es/category/equipos-de-

sondeo-y-procedimientos-de-mejora-de-terrenos/maquinaria-para-sondeos-y-perforaciones/