exploracion y muestreo de suelos

EXPLORACIÓN Y MUESTREO DE SUELOS

OBJETIVO:

El alumno conocerá los diferentes métodos y técnicas para explorar y obtener muestras alteradas o inalteradas de suelos, así mismo se dará cuenta de la importancia que tiene esta actividad en la correcta interpretación de los datos obtenidos.

OBJETIVO ESPECÍFICO:

El alumno asimilará el concepto de muestra alterada, muestra inalterada y aprenderá a obtener muestras alteradas e inalteradas de manera manual mediante el uso de la pala posteadora y herramienta de labrado. Así mismo, será capaz de obtener el contenido de agua (w) de muestras obtenidas en campo y presentará estos datos correctamente mediante tablas y gráficas para su posterior interpretación.

GENERALIDADES:

Durante el proyecto y ejecución de cualquier obra de ingeniería es necesario contar con datos firmes y confiables acerca del suelo donde se cimentará la estructura con el fin de realizar un diseño adecuado, congruente económicamente con la magnitud del proyecto y ceñido a las condiciones reales a las que estará sometido el suelo.

La importancia de la exploración y el muestreo de un suelo radica en que si este trabajo se realiza apropiadamente podremos obtener muestras representativas mediante las cuales conozcamos las propiedades físicas del suelo en estudio y estaremos en la posibilidad de clasificarlo y ubicar la naturaleza del problema con más factibilidad de ocurrir. Con todo lo anteriormente dicho se podrán escoger aquellas pruebas de laboratorio que sean más apropiadas para el problema específico. Este proceso requerirá de obtener en un principio muestras preliminares, las cuales darán dirección a nuestro estudio y nos permitirán decidir si el muestreo realizado es el correcto o si tenemos que efectuar nuevos muestreos más apropiados de acuerdo a la naturaleza del problema, posteriormente podremos ejecutar las pruebas de laboratorio necesarias para llevar a cabo un buen diseño.

El método que se presenta en esta práctica para determinar el contenido de agua en suelos no debe ser utilizado en materiales contaminados con ciertos químicos a menos que se tomen medidas de seguridad y salud adecuadas (ASTM D 2216-92, 1992).

Muestras alteradas e inalteradas.

Una muestra alterada es aquella que está constituida por material disgregado o fragmentado en las que no se toman precauciones especiales para conservar las características de estructura y humedad in situ; no obstante, en algunas ocasiones conviene conocer el contenido de agua original del suelo, para lo cual las muestras se envasan en recipientes impermeables y se transportan de forma que estén protegidas de los agentes atmosféricos. Se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de suelo a que corresponden, realizar pruebas índice y preparar especímenes compactados para someterlos a pruebas mecánicas (SAHOP, 1974).

Una muestra inalterada es aquella en la que se conserva la estructura, no sufre de alteraciones químicas, ni de humedad, es decir, conserva las propiedades que tenía in situ. Estas muestras se utilizan en el laboratorio para identificar el tipo de suelo a que corresponden, realizar pruebas índice y mecánicas (Comisión Federal de Electricidad, 1979).

Las muestras inalteradas se obtendrán de suelos finos que pueden labrarse sin que se disgreguen. La obtención puede efectuarse en el piso o en las paredes de una excavación como en un pozo a cielo abierto, en la superficie del terreno natural o en la de una terracería. La excavación para obtener una muestra deberá ser de dimensiones tales que permitan las operaciones de labrado y extracción de la misma (SAHOP, 1974).

Las muestras inalteradas deben conservar las condiciones de un suelo en su estado natural, por lo que su obtención, empaque y transporte requieren cuidados especiales a fin de no alterarlas. Las muestras deben ser identificadas claramente. Las superficies que estén expuestas deben ser protegidas con material impermeabilizante y ser transportadas en cajas con empaques que amortigüen las vibraciones que pudiera sufrir (Comisión Federal de Electricidad, 1979).

Métodos de exploración de suelos.

Dentro de los métodos de exploración de suelos existen dos clasificaciones: métodos directos y métodos indirectos. En la tabla 1.1 se muestra una clasificación general de los métodos de exploración más usuales y una breve descripción (Juárez Badillo y Rico Rodríguez, 1998).

Tabla 1.1 Descripción general de algunos métodos de exploración.
Método de exploración	Descripción
Métodos directos	Pozos a cielo abierto.	Es el método más satisfactorio para conocer las condiciones del subsuelo. Consiste en excavar un pozo de dimensiones suficientes para poder introducirse en él, examinar los diferentes estratos del suelo en su estado natural y extraer muestras alteradas e inalteradas. Su aplicación eficiente resulta sobre suelos cohesivos.
	Pala posteadora.	Es un método manual de exploración somera que consiste en hincar un barreno y obtener muestras del tipo alterado, pero representativas en cuanto al contenido de agua. Se utiliza en lugares donde otros equipos mecánicos no pueden ser usados.
	Tubo Shelby.	Consiste en un tubo afilado de 7.5 a 10 cm de diámetro que se hincan a presión para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos o semiduros.
	Sondeo de penetración estándar.	Con esta técnica se rescatan muestras alteradas de los suelos y se mide la resistencia al corte con el número de golpes con el que se hinca el penetrómetro una distancia de 30 cm. El equipo consta de un penetrómetro el cual se hinca a golpes mediante un martinete de 63.5 kg que cae desde 76 cm de alto.
	Muestreador Denison.	Consiste en dos tubos concéntricos que se hinca en el suelo para obtener muestras alteradas o inalteradas con ayuda de la inyección de fluido de perforación que se hace circular entre ambos tubos.
Métodos indirectos	Método sísmico.	Consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar usando una pequeña carga de explosivo, usualmente nitro amonio. Por la zona a explorar se sitúan geófonos cada 15 ó 30 cm. Este procedimiento se funda en la velocidad de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes medios materiales.
	Método de resistividad eléctrica.	Consiste en inducir una corriente eléctrica a través de los suelos, de tal forma que se presente una mayor o menor resistividad eléctrica para determinar la presencia de estratos de roca en el subsuelo. Mayores resistividades corresponden a rocas duras, siguiendo con rocas suaves y así sucesivamente hasta valores menores correspondientes a suelos suaves saturados.
	Métodos magnéticos y gravimétricos.	Para el primero se utiliza un magnetómetro, que mide la componente vertical del campo magnético terrestre en la zona considerada en varias estaciones próximas entre sí. En los métodos gravimétricos se mide a aceleración del campo gravitacional en diversos puntos de la zona a explorar. La información que proveen estos métodos es algo errática y difícil de interpretar.

A continuación se profundiza más en la explicación del método con el Tubo Shelby y el Sondeo de Penetración Estándar debido a que son muy comunes en la práctica y no serán utilizados como método de exploración para las pruebas en campo de este manual. Los métodos manuales como el Pozo a Cielo Abierto y Pala Posteadora se explicarán con más detalle más adelante dentro del procedimiento de prueba de esta práctica.

Tubos de pared delgada (Shelby)

El tubo de pared delgada o Shelby es un tubo liso afilado, usualmente de 7.5 a 10 cm de diámetro, que se hinca a presión para obtener muestras relativamente inalteradas de suelos finos blandos a semiduros, localizados arriba o abajo del nivel freático (Comisión Federal de Electricidad, 1979).

El efecto de la corrosión en este tubo puede dañar o destruir tanto el tubo de pared delgada, como la muestra. La severidad del daño está en función del tiempo y de la interacción entre la muestra y el tubo. Se recomienda que los tubos de pared delgada lleven algún tipo de revestimiento o capa protectora. Cuando el tubo vaya a contener la muestra por más de 72 horas éste debe llevar capa protectora y el tipo de capa debe ser especificada por el ingeniero o geólogo. Esta capa depende del material a muestrear. Estos recubrimientos pueden incluir una capa ligera de aceite lubricante, laca, atóxico teflón y otros (NMX-C-431-ONNCCE-2002, 2002).

Para iniciar la exploración se debe colocar el tubo muestreador de manera que a parte inferior se apoye en el fondo del barreno. Avanzar el muestreador sin rotación con un movimiento continuo y relativamente constante. Determinar la longitud de avance por la resistencia y condiciones de la formación, dicha longitud no debe exceder de 5 diámetros a 10 diámetros del tubo en arenas y de 10 diámetro a 15 diámetros en arcilla (NMX-C-431-ONNCCE-2002, 2002).

Cuando la formación sea demasiado dura para insertar a presión el tubo de pared delgada (Shelby) se puede utilizar el mismo tubo pero dentado, cuyo principio de inserción incluye presión y rotación, o en caso necesario el barril Denison que opera también a presión y rotación pero que implica una mayor alteración en la muestra (NMX-C-431-ONNCCE-2002, 2002).

En ningún caso debe ser mayor la longitud de avance que la longitud del tubo muestreador menos una distancia para la cabeza del muestreador y un mínimo de 7.62 cm para cortes. El sondeo debe avanzar en incrementos para permitir el muestreo intermitente o continuo. Los intervalos de prueba y su ubicación son estipuladas normalmente por el ingeniero de proyecto. Típicamente, los intervalos seleccionados son 1.5 m en estratos homogéneos con ubicación de la prueba y el muestreo en cada cambio de estrato (NMX-C-431-ONNCCE-2002, 2002).

Se debe retirar el muestreador con precaución a fin de minimizar las alteraciones de la muestra. Después de remover del tubo la cabeza, se debe limpiar el azolve hasta encontrar el material sano y se debe medir la recuperación de la muestra dentro del mismo, sellar el extremo superior, remover por lo menos 10 cm del material del extremo inferior del tubo y sellarlo, el material removido de ambas partes sirve para la descripción e identificación manual-visual del suelo, para anotarlo en el registro correspondiente, con la longitud de la muestra recuperada. Preparar y colocar las etiquetas y marcas necesarias para identificar las muestras (NMX-C-431-ONNCCE-2002, 2002).

Sondeo de penetración estándar.

Hablando de este método podemos decir que se encuentra en las normas ASTM desde 1958 y se estima que del 85 al 90 % de los diseños convencionales de cimentaciones en el norte y sur de América se realiza mediante el apoyo de este método (Bowles, Joseph E., 1998).

El método consiste en conducir el barril muestreador estándar una distancia de 45 cm dentro del suelo en el fondo de una excavación. Se debe contar el número de golpes que se requiere para hincar el muestreador los últimos 30 cm para obtener el dato N usando una masa o martillo de 63.5 kg dejándola caer desde una altura de 76 cm (Bowles, Joseph E., 1998)

El ensamblaje del equipo se realiza sobre el suelo del agujero o excavación realizada después de haber limpiado dicha área de los residuos del producto de la excavación. Después el muestreador es dirigido una distancia de 15 cm para ubicarlo en una zona donde el suelo no este demasiado alterado. Una vez a esta profundidad se empiezan a contar los golpes que se le dan al penetrómetro en cada incremento de 15 cm a menos que el martillo atasque al penetrómetro y no puedan ser contados los golpes propinados. En estos dos siguientes incrementos de 15 cm se debe continuar el conteo de los golpes necesarios para la penetración a menos que suceda lo siguiente: que se cuenten 50 golpes durante uno de los incrementos de 15 cm, que se apliquen un total de 100 golpes en dos incrementos de 15 cm, que no se observe avance del muestreador durante la aplicación de 10 golpes sucesivos o que el muestreador avance 45 cm sin que el límite de la cuenta de los golpes ocurriera como se describió anteriormente (Bowles, Joseph E., 1998).

Para extraer la muestra se debe traer el muestreador a la superficie y abrirlo. Registrar el porcentaje de recuperación o longitud de la muestra recuperada. Describir las muestras de suelo recuperadas indicando composición, color, estratificación y condición. Posteriormente coloque una o más porciones representativas de la muestra en contenedores sellados para prevenir la pérdida de humedad sin alterar cualquier estratificación aparente. Coloque etiquetas a los contenedores con el nombre del proyecto, número de sondeo, profundidad de la muestra y el número de golpes por cada incremento de 15 cm. Proteja las muestras contra los cambios extremos de temperatura. Si existe cambio en el suelo de la muestra, separe el material de cada estrato en diferentes contenedores y reporte su localización de acuerdo con el barril del muestreador (Bowles, Joseph E., 1998).

Obtención manual de muestras inalteradas y alteradas.

EQUIPO:

-	Pala posteadora.
-	Cuchillo.
-	Flexómetro.
-	Bolsas de plástico.
-	Horno.
-	Flanera.
-	Báscula con precisión de 0.01 g.
-	Juego de llaves para armar pala posteadora.

PROCEDIMIENTO:

Etapas significativas:

1. Realización del pozo a cielo abierto.

2. Obtención de muestra alterada en la pared del pozo.

3. Obtención de muestra inalterada en el fondo del pozo.

4. Uso de la pala posteadora en el fondo del pozo.

5. Determinación del contenido de agua (w).

Realización del pozo a cielo abierto.

Se debe llevar a cabo una excavación con las dimensiones suficientes para que una persona pueda acceder a ella, observar la estratigrafía existente en el lugar y pueda obtener muestras. Esta excavación puede realizarse manualmente con herramientas como pico y pala o puede hacerse uso de una retroexcavadora la cual haga el trabajo. El ancho de la excavación puede ser la del cucharón.

Obtención de muestra alterada en la pared del pozo.

Se debe realizar una ranura a lo largo del eje vertical del pozo, de aproximadamente 20 a 30 cm de ancho y 5 cm de espesor (ver figura 1.1). Esta ranura deberá forjarse empezando por la parte superior de la excavación e ir avanzando hacia abajo. Para tomar las muestras, deberá escogerse una de las caras laterales de la franja realizada y muestrear en secciones de 30 cm de abajo hacia arriba para evitar que las muestras se contaminen. El material que se vaya obteniendo deberá almacenarse en bolsas de plástico que deberán ser etiquetadas identificando la profundidad a la que se obtuvo la muestra, a qué proyecto pertenece, fecha y ubicación. Durante todo este proceso es recomendable ir definiendo una estratigrafía preliminar, basada en el color de los estratos y el tamaño de la partícula; una vez que se obtengan los resultados finales de la prueba se corroborará esta estratigrafía.

Obtención de muestra inalterada en el fondo del pozo.

Se deberá escoger una zona donde la superficie sea prácticamente plana, se marca un cuadro aproximadamente de 30 x 30 cm y se comienza a excavar alrededor de las marcas superior y laterales con la herramienta apropiada sin dañar la estructura del material de la muestra ya sea por presión o por impacto (ver figura 1.2). Se profundizará lo necesario para poder efectuar un corte en la parte posterior e inferior de la muestra. Inmediatamente después de haber realizado dicho corte y sin levantar la muestra, se cubre ésta con manta de cielo recién embebida en una mezcla previamente preparada de cuatro partes de parafina por una parte de brea, mezcladas por medio de calor. La manta deberá estar bien adherida a la muestra. Una vez protegidas las seis caras descubiertas se aplica con brocha una capa de parafina y brea fundidas y se fija la tarjeta de identificación.

Uso de la pala posteadora en el fondo del pozo.

Se selecciona el lugar donde se desea explorar el suelo y se procede a armar la pala posteadora para después hincarla sobre el terreno haciéndola girar sobre su propio eje con la ayuda del maneral con el que cuenta la pala en su extremo superior. Se debe tener en cuenta que mientras se hinca la pala posteadora en el terreno es necesario ejercer cierta fuerza sobre el maneral para que el tubo de perforación que se encuentra en el extremo inferior de la pala posteadora penetre efectivamente dentro del suelo (ver figura 1.3).

La primera penetración se debe hacer hasta una profundidad de 25 cm; la pala se retira del interior del terreno girándola un poco en sentido contrario al que se giró la pala cuando se hincó en el terreno y se levanta con fuerza para extraerla del interior del suelo. El material retenido en la pala posteadora se extrae de su interior con ayuda del cuchillo y se desecha, ya que esta no se considera representativa por el hecho de encontrarse en la superficie del terreno donde los factores ambientales y de intemperismo han tenido una fuerte influencia sobre el suelo (ver figura 1.4).

Se hinca de nuevo la pala dentro de la oquedad realizada con la primera penetración y se realiza una segunda penetración que debe desarrollar aproximadamente otros 25 cm de profundidad. Esta segunda extracción de suelo se considera una muestra representativa a la profundidad “x” a la que se haya llegado la cual deberá medirse con el flexómetro ya que deberá reportarse (ver figura 1.5).

La muestra de suelo que extraída se deposita dentro de una bolsa de plástico para que se tengan pérdidas mínimas de humedad durante su transporte al laboratorio. Dentro de esta bolsa se deberá colocar una etiqueta la cual contendrá el lugar de donde se extrajo la muestra, su localización, el número de sondeo, fecha del sondeo y la profundidad a la que se obtuvo (ver figura 1.6).

Después de haber retirado la pala posteadora del terreno y haber extraído la muestra, se procede a hincar de nuevo la pala y se hace penetrar aproximadamente otros 25 cm para obtener otra muestra. De aquí en adelante el procedimiento se hace iterativo y será detenido en el momento en que se llegue a la profundidad total a la que se desee realizar el sondeo. Es necesario hacer notar que conforme se avanza en la profundidad de la excavación será necesario añadir tubos de perforación a la pala posteadora cuando se requiera para lograr alcanzar las profundidades deseadas.

Ya extraídas e identificadas todas las muestras necesarias del sondeo, estas se deben mantener en contenedores herméticos no corrosivos a una temperatura aproximada de 3 a 30°C y en un área donde no haya contacto directo con el sol. Se deben almacenar los contenedores de muestras alteradas de manera que se prevenga o minimice la condensación de humedad en el interior de los contenedores. Posteriormente se llevan al laboratorio para llevar a cabo las pruebas que se requieran.

Obtención del contenido de agua.

Una vez estando en el laboratorio, se toman porciones de suelo mínimas que sean representativas de la muestra total de acuerdo al tamaño máximo de partícula (ver tabla 1.2). Estas muestras serán correspondientes a las diferentes profundidades y se colocarán dentro de recipientes de vidrio o flaneras previamente identificados y pesados.

Tabla 1.2 Selección de muestra representativa de acuerdo al tamaño máximo de partícula (ASTM D 2216-92, 1992).
Tamaño máximo de partícula (pasa 100%).	Tamaño estándar de malla.	Masa mínima recomendada para contenido de agua +/- 0.1%	Masa mínima recomendada para contenido de agua +/- 1%
2.00 mm ó menos	No. 10	20 g	20 g*
4.75 mm	No. 4	100 g	20 g*
9.50 mm	3/8 in	500 g	50 g
19.00 mm	¾ in	2.5 kg	250 g
37.50 mm	1 ½ in	10 kg	1 kg
75.00 mm	3 in	50 kg	5 kg
Nota: * Para que la muestra sea representativa, no debe ser menor de 20 g.

Nota 1: Cuando se trabaje con muestras pequeñas, menos de 200 g, que contengan partículas relativamente grandes de grava, es apropiado no incluir esta partícula en la muestra de prueba, pero debe describirse dicho material y anotarlo en el reporte de resultados. Para aquellas muestras que consistan totalmente de roca intacta la muestra mínima será de 500 g. Porciones representativas de esta muestra deberán reducirse a partículas pequeñas dependiendo del tamaño de la muestra, contenedor y báscula.

Posteriormente se pesan con báscula estas porciones de suelo dentro de los recipientes (ver figura 1.7).

Nota 2: De acuerdo a la cantidad de muestra que se vaya a utilizar para la prueba se debe seleccionar la precisión de la báscula, para esto, recurrir al anexo 1 que se encuentra al final de este manual.

Cuando se han terminado de pesar todos los recipientes con las porciones de suelo, estos serán introducidos en un horno donde permanecerán 24 horas a una temperatura aproximada de 110 ºC +/- 5º C. Esto tiene la finalidad de extraer toda el agua que pudieran contener las porciones de suelo y se tenga la posibilidad de obtener el peso seco de la muestra (ver figura 1.8).

Nota 3: Algunas veces el contenido de agua de material que contiene materia extraña, como cemento o similares, puede requerir tratamiento especial o una definición calificada de contenido de agua. Adicionalmente algunos materiales orgánicos pueden descomponerse mediante el secado al horno a la temperatura estándar del método aquí mostrado (110 ºC +/- 5º C). Para evitar lo anterior, es recomendable secar estos materiales a 60 °C siendo el contenido de agua resultante diferente al que se puede obtener con el método estándar. Se deben tomar también consideraciones especiales para sedimentos marinos. Un procedimiento alterno para determinar el contenido de agua en materiales con materia orgánica se encuentra en la norma ASTM D 2974-87.

Después de que hayan transcurrido 24 horas las muestras son extraídas del horno y se pesan nuevamente en la báscula. El periodo de secado suficiente, en la mayoría de los casos, es de 12 a 16 horas. En casos en que haya duda del secado, entonces debe continuarse hasta que no haya cambio en la masa de suelo (menor de 0.1% de su masa) después de dos periodos sucesivos mayores de 1 hora.

Es recomendable retirar las muestras secas que se encuentren en el horno antes de introducir las muestras húmedas ya que las primeras podrían absorber humedad de estas últimas.

RESULTADOS:

Todos los datos anteriores se registran en el formato 1.1 que se muestra más adelante conforme se va realizando el procedimiento y el cual nos ayudará a obtener el peso seco de las muestras (Ws) y el contenido de agua (w) de las mismas. El contenido de agua se podrá calcular con la siguiente expresión:

(1.1)

Donde:

w= Es el contenido de agua del suelo.

Ww = Es el peso de agua de la muestra de suelo.

Ws = Es el peso seco de la muestra de suelo.

Teniendo los datos del contenido de agua a las diferentes profundidades, se deberá realizará un perfil del contenido de agua, donde en el eje vertical se grafiquen las profundidades a las que se obtuvieron las muestras y en el eje horizontal el contenido de agua en porcentaje.

Deberá añadirse a estos resultados un croquis en el cual se indique como llegar al lugar donde se realizó la exploración, la ubicación del sondeo respecto al predio, número del sondeo realizado y a que proyecto pertenece dicho sondeo. Puede usarse una etiqueta como la que se muestra en la figura 1.9 para identificar las muestras:

Etiqueta para muestras.
Proyecto:	Fecha:
Ubicación:	Muestra No:
Descripción del suelo:	Excavación No:
	Tipo de muestra:
Profundidad de la muestra:	Tamaño original de la muestra:
Condiciones de la muestra:
Observaciones:
Figura 1.9 Etiqueta para muestras extraídas en campo.

REFERENCIAS:

ASTM D 2216-92

Standard Test Method for Laboratory Determination of Water (Moisture) Content of Soil and Rock.

Estados Unidos, 1992

Badillo, Juárez y Rodríguez, Rico

Mecánica de Suelos. Tomo 1. Fundamentos de Mecánica de Suelos.

Editorial Limusa.

México, D.F. 1998

Bowles, Joseph E.

Foundation Analysis and Design.

Editorial McGraw Hill.

Estados Unidos de América, 1998.

Bowles, Joseph E.

Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil.

Editorial McGraw Hill Latinoamericana, S.A.

Estados Unidos de América, 1978.

Comisión Federal de Electricidad.

Manual de Diseño de Obras Civiles.

Geotecnia B.2.1.

México, 1979.

Norma Mexicana NMX-C-431-ONNCCE-2002

Industria de la construcción- Geotecnia - Cimentaciones- Toma de muestra alterada e inalterada - Métodos de prueba.

México, 2002.

SAHOP

Instructivo para efectuar pruebas en suelos.

Volumen 1.

México, 1974.