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Exploración y Muestreo de Suelos
Segunda Parte
Por: M. I. Enrique Barragán Ramírez
Maestro en Ingeniería Geotécnica
Es importante esclarecer que este artículo se ha repartido en dos ediciones de la revista. En este segundo número se presentan los capítulos 3 y 4, referentes al muestreo del subsuelo y la determinación de las condiciones piezométricas. Mientras que la introducción y el capítulo concerniente a la exploración del subsuelo ya se ha presentado en la edición anterior.
Es importante esclarecer que este artículo se ha repartido en dos ediciones de la revista. En este segundo número se presentan los capítulos 3 y 4, referentes al muestreo del subsuelo y la determinación de las condiciones piezométricas. Mientras que la introducción y el capítulo concerniente a la exploración del subsuelo ya se ha presentado en la edición anterior.
3.- MUESTREO DE SUELOS
El objetivo del muestreo debe ser el refinamiento de la caracterización para evitar costos adicionales debidos a: un diseño sobreconservador; cambios tardíos en el proyecto; y a daños a estructuras colindantes por condiciones imprevistas. En las subsecciones siguientes se discuten los métodos de muestreo alterado e inalterado más comunes en suelos.
3.1 Muestreo inalterado
Una muestra inalterada es aquella que conserva todas las condiciones de campo. Se usan para determinar la resistencia y deformabilidad del suelo, en ensayes de laboratorio. Para que esto se cumpla: (1) el muestreador debe evitar la distorsión, flexión o ablandamiento del suelo; (2) la recuperación debe exceder el 95%; y (3) el área interior del tubo debe conservarse por debajo del 15% de la total (Hvorslev, 1949; NAVFAC, 1986).
Las muestras inalteradas se obtienen en función del tipo de suelo usando alguna de las siguientes técnicas (Figura 5): muestras cúbicas o cilíndricas por medios manuales; muestreador Shelby; muestreador con pistón fijo o hidráulico; barril Denison; y muestreador Pitcher.
Los suelos finos saturados se pueden muestrear fácilmente usando métodos simples como tubos de pared delgada, con y sin pistón. Por otro lado, los suelos duros y cementados se prospectan con barriles con doble tubo como el Denison y el Pitcher, sin importar la posición del nivel freático. Por su parte, los suelos parcialmente saturados deben muestrearse en seco, usando barrenos continuos, huecos u obteniendo muestras cúbicas o cilíndricas, ya que son sensibles al agua.
Los suelos gruesos sin finos son difíciles de muestrear de manera inalterada, pues se deslizan del muestreador y su alta permeabilidad resulta en cambios significativos de su volumen. En estos, solo el congelamiento previo al muestreo permite obtener muestras inalteradas, pero el alto costo resulta en que esto casi nunca se realice (USBR, 1998). Por tanto, la caracterización de estos suelos en la práctica se basa en su resistencia a la penetración en el SPT o el CPT.
Las muestras deben ser llevadas al laboratorio y ensayadas rápidamente. De lo contrario, ocurren cambios en la estructura debidos a la oxidación en el contacto con el muestreador y a procesos microbianos (USBR, 1998; Santoyo, 2010; Jaime & Barrera, 2021). Estos resultan en la reducción de la resistencia pico y el aumento de la sensitividad de arcillas blandas.
3.1.1 Muestras cúbicas o cilíndricas
Son muestras prismáticas de forma cúbica o cilíndrica, obtenidas por medios manuales del fondo o las paredes de pozos a cielo abierto. Al tener la menor perturbación, son idóneas para la determinación de los parámetros de resistencia y compresibilidad en suelos muy blandos. Se pueden obtener en suelos que permitan realizar excavaciones estables y rocas de cualquier tipo, si bien las últimas requerirán máquinas de corte.
Para obtener una muestra cúbica se selecciona el estrato de suelo que se desea muestrear y se retira cuidadosamente el material circundante de manera que se forme un prisma de suelo. De ser necesario, sus paredes se sostienen y se extrae cortándola de su base. Las muestras cilíndricas se obtienen de manera similar, pero se cortan con un cilindro de pared delgada.
Las superficies de la muestra deben protegerse contra la pérdida de humedad, cubriéndolas con láminas plásticas y al menos tres capas de estopilla (manta de cielo) y cera microcristalina derretida. Posteriormente, la muestra se coloca en una caja de madera hecha a la medida, en la misma orientación que fue extraída. El espacio entre la caja y la muestra debe rellenarse con un material de empaque para impedir su movimiento y, en cada una de las caras de la caja, se debe indicar la orientación correspondiente, al igual que el nombre de la muestra y la profundidad de extracción.
Entre las desventajas de estas muestras se tiene que: se alteran por el cambio en el estado de esfuerzos por la excavación y su desagüe; son costosas debido a la misma razón; y que solo es posible obtenerlas a poca profundidad.
3.1.2 Muestreador Shelby
Es un tubo de pared delgada que se hinca sin rotación con una presión controlada y constante. La muestra se sujeta al tubo por adherencia y el vacío parcial creado por una válvula en el extremo superior de la cabeza del muestreador. Este tubo se encuentra dentro de otros dispositivos, como los que se discuten en las siguientes secciones.
Tiene un diámetro exterior de 3 in (7.62 cm), espesor de 1/16 in (1.6 mm) y 30 in (76.2 cm) de longitud. Si bien estás dimensiones son estándar, también se encuentran en diámetros que van desde 2 hasta 5 in (5.08 a 12.7 cm). Como ya se mencionó, las dimensiones del tubo producen muestras inalteradas siempre que se respete la relación de tubos de pared delgada.
La introducción de tubos Shelby está cubierta en la norma mexicana NMX-C-431-ONNCCE-2002, y en el estándar estadounidense ASTM D1587. Produce los mejores resultados en suelos finos, medianamente blandos. Pues el tubo se distorsiona en suelos duros y sus paredes se dañan en la presencia de gravas.
Entre sus desventajas se encuentran: la imposibilidad de introducirlo en suelos duros, densos o con presencia de gravas; la perturbación de la muestra al usar presiones de hincado erráticas o golpeteo; la compresión y alteración de la muestra en suelos muy blandos; el encarecimiento del muestreo derivado de la imposibilidad de su reúso.
3.1.3 Pistón fijo
En suelos muy blandos, la penetración de un tubo Shelby comprime la muestra dentro de este por efectos de la fricción y adhesión en sus paredes y, como resultado, la muestra se altera ligeramente. Los tubos con pistón subsanan estas limitaciones uniformizando la presión durante el hincado. Por lo anterior, se emplean en arcillas blandas a firmes y limos finos, en lugar de en suelos arenosos, duros, densos y/o con gravas. La muestra se retiene con el vacío que genera un pistón cerrado que es parte del muestreador (USBR, 1998).
El muestreador tiene un diámetro exterior de 3 in (7.62 cm) y permite obtener muestras de 30 in (76.2 cm) de longitud. Al igual que el tubo Shelby, también se fabrican desde 2 hasta 5 in (5.08 a 12.7 cm) de diámetro exterior. En los Estados Unidos, se ha estandarizado en la ASTM D6519.
Además de las mejoras mencionadas, este muestreador presenta la ventaja que el pistón previene la entrada de fluido de perforación y, en consecuencia, la contaminación de la muestra. Por tanto, estas tienen mejor calidad que las obtenidas con tubos Shelby.
Entre las desventajas están que: la variación errática de la presión en el muestreo permite el movimiento del pistón y causa alteración de las muestras; requieren equipos de perforación hidráulica pesados, por lo que su uso es restringido en sitios inaccesibles; y que la cantidad de muestra recuperada es incontrolable.
3.1.4 Pistón hidráulico
También son muestreadores de pared delgada. Cuentan con un pistón en su cabeza y se usa la presión del fluido a través de las barras para introducirlos al suelo. Una válvula impide el paso del fluido una vez que se ha penetrado la longitud máxima de muestra. Este tipo de muestreador se conoce también como muestreador Osterberg, en honor a su creador (Santoyo, 2010).
Generalmente tienen 3 in (7.62 cm) de diámetro exterior y producen muestras de hasta 36 in (91.44 cm) de longitud, aunque también existen de 2 a 4 in (5.08 a 10.16 cm) de diámetro exterior. Producen buenos resultados en limos y arcillas y algunos suelos arenosos, pero son poco aptos en suelos duros, densos o con gravas.
Entre sus ventajas se tiene que: requieren barras de perforación estándar; producen mejores resultados que muestras obtenidas de tubos Shelby; la muestra se protege de la contaminación con el fluido de perforación y el azolve en su porción superior. En tanto que entre sus desventajas están que: requieren dispositivos especiales para desarrollar la presión de agua o de aire que los activa el muestreador, esto debido a que el fluido de perforación los daña; es imposible controlar la longitud de penetración para obtener muestras cortas.
3.1.5 Barril Denison
Es un barril doble cuyos tubos se encuentran separados por rodamientos que se hinca usando rotación y presión. El barril exterior gira y tiene una broca de corte, mientras que el interior es de pared delgada y permanece estático para evitar el daño de la muestra.
Posee un diámetro exterior de 3 1/2 a 7 3/4 in (8.89 a 19.69 cm) y permite obtener muestras desde 2 3/8 hasta 6 3/10 in (6.03 a 16.00 cm) de diámetro y 24 in (60.96 cm) de longitud. Por lo que permite obtener muestras de gran diámetro en suelos de consistencia dura como arcillas firmes, limos y arenas cementadas y rocas blandas.
En suelos gruesos, se le puede colocar una canastilla para mejorar la recuperación.
Entre las desventajas se cuentan: el ajuste manual entre la posición del barril exterior y el interior en función del material perforado; la alteración de la muestra al emplear barriles defectuosos y/o malas prácticas de perforación; la imposibilidad de uso en arenas sueltas y arcillas blandas; la alteración de suelos por encima del nivel freático al usar agua o lodo de perforación.
3.1.6 Muestreador Pitcher
El muestreador Pitcher se diferencia del Denison en que el barril interior posee un resorte que le permite deslizarse en función de la firmeza del suelo muestreado (Figura 6).
En suelos muy duros, este se retrae para permitir el corte con el barril exterior y el flujo de recorte a la superficie. Mientras que en suelos blandos se extiende y protege a la muestra de la acción del barril exterior y del fluido de perforación.
El barril exterior tiene un diámetro exterior es de 4 1/8 in (10.48 cm) y el interior es un tubo Shelby de 3 in (7.62 cm) de diámetro exterior. Las muestras son de 24 in (60.96 cm) de largo.
La principal ventaja es que permite el muestreo de intercalaciones de suelos duros y blandos y su desventaja es que son ineficaces en suelos sin cementación.
3.2 Muestreo alterado
Las muestras alteradas son aquellas en las que el suelo ha perdido su estructura, pero conserva sus constituyentes en el tamaño y proporción de campo. Por tanto, su utilidad reside en la clasificación a través de pruebas índice o el ensaye de muestras reconstituidas. Una muestra alterada solo es representativa si caracteriza a la capa de suelo de la que fue extraída. En las siguientes secciones se discutirán los muestreadores más importantes.
3.2.1 Barril partido
Es un cilindro hueco compuesto de dos mitades que se hinca a percusión. Su extremo superior se conecta a las barras de perforación y el inferior a una punta afilada de acero reforzado. Este arreglo facilita el retiro de la muestra y disminuye el tiempo de perforación.
Su diámetro exterior es estándar e igual a 2 in (5.08 cm), mientras que el interior es 1 3/8 in (3.49 cm), si bien se admite que tenga 1 1/2 in (3.81 cm). La longitud de la punta puede ir de 1 a 2 in (2.54 a 5.08 cm) y la del muestreador de 18 a 30 in (45.72 a 76.2 cm). También se fabrican en diámetros exteriores hasta 4 in (10.16 cm) e interiores de 3 1/2 in (8.89 cm).
En el extremo superior posee un balero que permite la salida de aire y evita restricciones en la entrada de la muestra. En su punta, que debe permanecer siempre afilada, se puede colocar una canastilla metálica o plástica con puntas flexibles o una válvula antirretorno, con el objeto de impedir la caída de la muestra al levantar el muestreador.
Se pueden usar en todo tipo de suelos, pero la entrada de muestra se dificulta en gravas, invalidando la información respecto a la resistencia de penetración. Su versatilidad, bajo costo y reusabilidad son sus principales ventajas, mientras que la principal desventaja es que la vibración producida en el impacto resulta en la alteración de la muestra, al igual que en baja recuperación.
3.2.2 Barrenos continuos
Son tornillos de Arquímedes en los que las hojas cortan el material y lo desplazan hasta la superficie. Entre ellos se cuentan los barrenos helicoidales continuos, los huecos, los de disco y los de bote. Se hincan mediante rotación y son aplicables a la mayoría de los suelos por encima del nivel freático.
Algunas ventajas son que permiten: determinar el perfil estratigráfico de manera rápida pero cualitativa; recolectar muestras alteradas; y los barrenos de bote con dientes de roca pueden atravesar suelos duros y con gravas o boleos. Sin embargo, sus desventajas son que: son incapaces de penetrar suelos duros o que contengan gravas y boleos; existe un retraso entre la penetración y el arribo del recorte en la superficie; y que el avance se vuelve lento con la profundidad debido al uso de extensiones.
3.2.3 Barriles con punta de diamante
Son barriles cuyos diámetros exteriores van desde 1 1/2 hasta 3 in (3.81 a 7.62 cm) y longitudes de 5 a 10 ft (1.52 a 3.05 m), con los que se obtienen núcleos desde 7/8 hasta 2 1/8 in (2.22 a 5.40 cm). Permiten la perforación de roca dura usando brocas impregnadas con diamante o aleaciones de tungsteno y carburo. Las brocas pueden ser intercambiadas por unas adecuadas para la perforación de rocas blandas o suelos duros.
El barril único gira para cortar la roca y se usa un fluido de perforación para refrigerarlo y eliminar el recorte. En los barriles dobles, el exterior rota y el interior permanece estático, protegiendo a la muestra de la acción del barril exterior y el fluido de perforación. En los barriles triples, se cuenta con un barril partido adicional como revestimiento. Por tanto, los de barril único se usan para perforar roca dura intacta; los dobles para roca fracturada, deleznable o blanda; y los triples para roca muy sensible o fracturada.
La desventaja más importante es que el barril se debe seleccionar en función de la roca muestreada para garantizar una perturbación baja y recuperación alta. Sin embargo, los tres tipos de barril son compatibles entre sí y se pueden intercambiar fácilmente. Esto representa la ventaja de que se puede mantener un inventario de partes reducido.
4 CONDICIONES HIDRÁULICAS
Debido a que tanto la resistencia como la deformabilidad de los suelos saturados se rigen por el esfuerzo efectivo, determinar la distribución de la presión de poro en el subsuelo es indispensable. El nivel de aguas freáticas (NAF) puede medirse en pozos de observación o estimarse aprovechando los sondeos de exploración. En ambos casos registrando la profundidad de intercepción y de estabilización de tal nivel.
Por otro lado, la presión de poro a cierta profundidad se mide usando tubos impermeables verticales denominados piezómetros.
Los tipos más comunes son: el abierto; el neumático; y el eléctrico.
4.1 Piezómetros abiertos
La diferencia entre estos y los pozos de observación es que los últimos toman contribuciones de agua en toda su área lateral por debajo del NAF, mientras que los primeros solo lo hacen en su extremo inferior. Se componen de: una punta porosa por la que el agua freática percola; un tubo por el que sube el agua y se efectúan las mediciones; y el sello compuesto por lechadas de cemento, lodos bentoníticos o cualquier material impermeable que impida que agua en la perforación se cuele a la punta (Figura 7).
Por un lado, sus ventajas son: su construcción es simple y económica, sus resultados son confiables; permiten tener un registro que puede prolongarse por años; las perforaciones para sondeos se pueden convertir en un arreglo de piezómetros abiertos, reduciendo los costos.
Por el otro, tienen las siguientes desventajas: su tiempo de respuesta es lento en suelos poco permeables; son susceptibles a congelamiento en climas fríos; las mediciones se deben realizar de manera manual; el uso de sondas eléctricas puede dar falsos positivos al tocar las paredes húmedas del tubo; la presencia de burbujas en tubos muy estrechos resulta en la detección de niveles, y por ende presiones de poro, mayores a las reales.
4.2 Piezómetros eléctricos
Son dispositivos que miden la presión usando un transductor de presión o una cuerda vibrante. Se colocan en perforaciones de sondeos, piezómetros abiertos o se hincan de manera independiente. Entre sus ventajas se cuentan que: la medición puede hacerse de manera remota; la respuesta es rápida y altamente sensible; se pueden programar para la medición automática de la presión. Sus desventajas son: su alto costo; que requieren correcciones por temperatura y otros factores; y que se pueden descalibrar.
4.3 Prueba de disipación de la presión de poro
La presión de poro a una cierta profundidad también puede determinarse con un cono eléctrico equipado con un transductor de presión de poro, realizando una prueba de disipación. Esta consiste en el hincado del cono hasta la profundidad deseada y la observación de la disipación del exceso de presión de poro inducida por el hincado, hasta su estabilización en el valor correspondiente a la presión previa a la penetración.
En suelos gruesos, la prueba es rápida y rentable, por lo que se puede realizar durante el CPT. No obstante, en suelos finos el ensaye puede tomar días, incluso semanas. Esto resulta contraproducente, pues el colector de datos se expone a la intemperie, a perdidas de energía y robos. Además, en arcillas, la restitución tixotrópica de la resistencia dificulta la extracción del cono y las barras de perforación después de periodos largos.
Las principales ventajas de esta prueba son que: solo incrementa ligeramente el costo base del CPT; se realiza sin una perforación abierta; y que permite estimar el coeficiente de consolidación vertical de campo. Las desventajas más relevantes son el elevado tiempo de respuesta en suelos finos, y que errores en la extrapolación de la curva de disipación acusan valores de presión diferentes de los reales.
5 CONCLUSIONES
La exploración del subsuelo se realiza en tres etapas que permiten caracterizarlo y determinar aquellas propiedades que serán necesarias durante el análisis y diseño. Empieza en el gabinete, recopilando todos los antecedentes posibles; continúa con la visita de campo, que complementa la información; y culmina en la exploración tanto preliminar como definitiva, de las cuales se obtienen datos propios del sitio, ya sea a través de pruebas de campo o extrayendo muestras y ensayándolas en el laboratorio.
En la exploración directa se tiene contacto con el material, por lo que la incertidumbre respecto a su clasificación y comportamiento es mínima. En contraste, durante la exploración indirecta se mide solamente la respuesta del subsuelo en ensayes de campo. Por ello, los resultados deben ser interpretados bajo ciertas suposiciones y, como resultado, la certeza de la caracterización se reduce. Como los métodos de ensaye y muestreo son falibles y de aplicación restringida, una buena exploración debe hacer uso de ambos tipos.
Las muestras pueden obtenerse de manera inalterada o alterada. En el primer caso, conservan sus constituyentes de campo, pero en el segundo han perdido su estructura. Por tanto, las inalteradas son idóneas para determinar el comportamiento mecánico y las alteradas deben destinarse solo a la clasificación. Debido a que el dispositivo adecuado para obtener muestras inalteradas dependerá del tipo de suelo y sus condiciones, es rutinario combinar varios tipos de muestreador durante la exploración.
Por último, las condiciones hidráulicas completan la caracterización. Sin ellas se desconoce el estado de esfuerzos efectivo del subsuelo y, en consecuencia, es imposible predecir su resistencia y deformabilidad. Como la medición de la presión de poro se encuentra sujeta también al tipo de suelo, se debe elegir un dispositivo que proporcione datos confiables en el menor tiempo posible.
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