Caracterización geotecnica
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  • 1. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZ CARACTERIZACIÓN GEOTECNICALa caracterización geotécnica consiste en determinar la composición y propiedadesfísicas, mecánicas, hídricas, químicas del terreno donde se proyecta una obra o seextrae material para construcción.1. EXCAVACIONES.En este tipo de obras es necesario conocer la clase de material donde se realizanlos trabajos. Para esto se requiere clasificar el material, de acuerdo con alguna delas clasificaciones existentes. La clasificación debe hacerse para los diferentesestratos que se presenten.También es necesario conocer las propiedades físicas del suelo como por ejemplo:granulometría y límites de plasticidad.Dado que el agua es uno de los elementos que mas afectan una excavación, esnecesario conocer los niveles de agua subterránea y los posibles flujos hacia laobra. También es muy importante la definición de los flujos de agua superficial.Para evaluar los sistemas constructivos y de transporte es importante conocer datossobre humedad del suelo, grado de saturación, peso unitario total y factor deexpansión por efecto de la remoción del material.Es también evidente la necesidad de establecer su dureza cualitativamente,dependiendo de su litología, clasificación y contenido de agua.2. RELLENOS Y TERRAPLENES..Es importante conocer las características del material de fundación y del material deconformación del relleno o el terraplén.Suelo de fundaciónEs importante conocer el ángulo de inclinación del terreno, pues es evidente que enfundaciones muy inclinadas el terraplén puede desligarse de la fundación y fallar, lacapacidad portante del terreno y sus propiedades deformativas. Para tal efecto esnecesario determinar los parámetros de resistencia al corte (c y φ), lo mismo que suporosidad y contenido de agua.También en este tipo de obras es necesario conocer la estratigrafía del suelo con suclasificación y niveles de agua subterránea.Material de conformaciónEs importante conocer su clasificación, los parámetros de compactación, esto es,peso unitario seco máximo y humedad óptima.En caso de que el material sea arcilloso, es necesario caracterizarlo desde el puntode vista de la potencialidad de expansión, dependiendo de los contenidos de 1
  • 2. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZminerales o componentes químicos calificado como expansivo, y si es poroso,confirmarlo mediante ensayos de laboratorio.3. TALUDES.Cuando se trata de conformar un talud es necesario conocer del terreno sunaturaleza y clasificación, lo mismo que las propiedades físicas y mecánicas parevaluar su estabilidad. Estas propiedades son: Peso unitario, c y φ, humedad, gradode saturación. En la misma forma es necesario investigar los niveles de aguasubterránea del terreno.Si el talud es en roca es importante definir la litología, orientación del fracturamientoy estratificación, así como la potencialidad de meteorización. Es importantepresentar en cada talud los estereogramas de los sistemas principales defracturamiento.4. OBRAS DE CONTENCIÓN.Las obras de contención están constituidas principalmente por muros y anclajes.MurosEs necesario conocer propiedades del terreno de fundación y del relleno que secoloca tras la estructura, determinando en ambos casos la clasificación del suelo.Del terreno de fundación es importante determinar la capacidad portante ypropiedades deformativas del material, siendo necesario conocerle los parámetrosde resistencia al corte (c y φ), junto con la porosidad del material, humedad yprofundidad de niveles de agua,Del relleno es necesario conocer su peso unitario y parámetros de resistencia alcorte. Si el relleno es significativo es necesario conocer la humedad óptima y el pesounitario seco máximo, si el material es arcilloso se debe determinar el potencialexpansivo.AnclajesLa caracterización debe enfocarse hacia el tipo de material donde se anclan loselementos.Si es suelo debe hacerse la correspondiente clasificación y los parámetros deresistencia al corte.Si es roca es necesario determinar el coeficiente de rozamiento entre las rocas y elmortero de anclaje, caracterización litológica del material, niveles de aguasubterránea y humedad del terreno. 2
  • 3. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZ5. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO.La estructura de pavimento la conforman: La subrasante, sub-base, base y carpetade rodadura. Todos los elementos interactúan. Razón por la cual su estudio requiereespecial atención, siendo necesario hacer la caracterización geotécnica en base alos grados de interacción que se establezcan.6. TUNELES.Estas obras se clasifican como especiales en el conjunto de construcciones de unavía. En la caracterización geotécnica del terreno para un túnel intervienen todas laspropiedades del material, incluyendo geología, propiedades físicas, mecánicas,hídricas y hasta químicas de los materiales.En el aspecto geológico, es necesario conocer litología, estructuras, fallas,fracturamientos. En el aspecto de propiedades físicas se requiere conocerprofundidad, peso unitario, porosidad. En las propiedades mecánicas es importantela resistencia a la compresión, modulo de deformación, coeficiente de presión lateral,parámetros de resistencia al corte. De las propiedades hídricas es necesarioconocer los niveles de agua subterránea, coeficiente de permeabilidad, flujos deagua.Es necesario clasificar el terreno ya que de esto depende el método constructivo. Sies suelo por los sistemas apropiados y si es roca mediante alguna clasificacióngeomecánica.7. PUENTES.La caracterización del terreno esta enfocada hacia el diseño y construcción de loscimientos apropiados para sostener la superestructura.Por tal razón es necesario ante todo conocer la estratigrafía de la seccióntransversal del río o fuente superficial para definir los apoyos y niveles decimentación. A cada estrato encontrado es necesario hacerle la clasificación. A losestratos mas competentes o que sirvan para nivel de cimentación es necesarioconocer parámetros de resistencia al corte, porosidad, humedad, compresibilidad ysi es material arcilloso y saturado es fundamental determinar los parámetros deconsolidación para determinar posibles asentamientos.Si la cimentación es profunda, es necesario conocer la capacidad portante delterreno en la punta del pilote y los parámetros de resistencia al corte del material queatraviesa el elemento. 3
  • 4. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZ8. EDIFICIOS.Las carreteras principales requieren edificios administrativos, peajes, etc.Para construir estas obras se debe hacer las exploraciones para caracterizar losmateriales de fundación desde el punto de vista de su clasificación, estratigrafía,propiedades físicas y mecánicas tales como peso unitario, porosidad, parámetros deresistencia al corte, compresibilidad.Si el nivel de cimentación es roca no se requiere caracterización diferente a sudescripción, pues las cargas que se presentan por el peso de la edificación son muyinferiores a la resistencia de la roca.9. FUENTES DE MATERIAL.Las fuentes de material pueden ser: material de arrastre ubicado en los lechos de losríos, terrazas aluviales, canteras de roca, compensación de cortes, prestamoslaterales.Dependiendo del destino de la fuente y el tipo, la caracterización geotécnica se haceteniendo en cuenta los criterios de calidad definidos para el material y losprocedimientos de explotación.En cuanto al parámetro de calidad, será necesario caracterizar el material desde elpunto de vista de clasificación, granulometría, desgaste, durabilidad.En cuanto al procedimiento de explotación, será necesario conocer la geología,volúmenes, contenido de estériles, necesidad de procesamiento, niveles de aguasubterránea. ETAPAS DEL PROYECTOEn el proyecto de una vía normalmente se cumplen 5 etapas. Para las cuales elestudio geotécnico tiene sus particularidades.1. Prefactibilidad (Fase I)Esta etapa es la de evaluación de alternativas de trazado de la vía. En esta etapa lacaracterización geotécnica de los materiales donde se ubican las diferentesalternativas se realiza sobre fotografías aéreas y planos. El estudio geotécnico tiene 4
  • 5. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZun alto contenido geológico, pues las características de los materiales se definen enun ámbito macro.En los planos se ubican las formaciones geológicas encontradas, las zonasinestables captadas, lineamientos de falla, zonas de pantanos, zonas de inundación.En esta etapa, para la caracterización del terreno se requieren documentos escritosy gráficos hechos en lugares similares, tratando de encontrar relaciones entre lasdescripciones y las propiedades que se deseen conocer.En la fase I no es posible llegar a detalle de obras. Solo se puede llegar hastaencontrar las mínimas longitudes posibles, haciendo predimensionamientosaproximados, de acuerdo con las descripciones de los materiales queprobablemente se encuentren en el lugar.2. Factibilidad (Fase II)En esta etapa el trazado se acomoda al corredor aprobado, acomodando elalineamiento de acuerdo con las condiciones del relieve y las característicasgeológicas del terreno.En esta fase la caracterización geotécnica se ejecuta mediante exploraciónsuperficial y algunas investigaciones del subsuelo. Se determinan in-situ los sitiosque mas se justen a los puentes y túneles, buscando la mejor solución a cada unade las obras de la carretera.Teniendo en cuenta que las investigaciones del subsuelo y ensayos de laboratorioson muy limitados, es necesario establecer muchas propiedades mediantebibliografía.En esta etapa es posible establecer el primer perfil estratigráfico, Haciendoexploraciones y formulando hipótesis en aquellos sitios donde no hay conocimientodel subsuelo, se hace también la primera sectorización geotécnica de la vía.3. Diseño (Fase III)En esta etapa se conforman los planos de construcción del proyecto, realizando eldiseño de las diferentes obras, junto con las especificaciones técnicas deconstrucción. Las obras respectivas se presentan en los planos como diseñostípicos, siendo necesario durante la construcción comprobar los supuestos ehipótesis formulados en los diseños típicos.En esta fase se realizan las investigaciones del subsuelo requeridas paracaracterizar el trazado de la vía y conocer las propiedades del terreno. Se realizaexploración del subsuelo y se hacen os ensayos para diseñar puentes, túneles,obras de contención, taludes, cortes, terraplenes, etc. 5
  • 6. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZAquí se debe conformar los perfiles geológicos y geotécnicos, realizando lasectorización por áreas homogéneas, junto con la caracterización de cada sector.En las obras significativas como: túneles, puentes, cortes, terraplenes fuentes demateriales, botaderos, es necesario hacer la caracterización particular con perfilesgeológicos y geotécnicos en diferentes direcciones, para que la construcción sepueda realizar con el mínimo de incertidumbres.En las especificaciones técnicas de construcción se establecen los procedimientosconstructivos y los cuidados que se deben tener para que las obras sean estables.4. Construcción.Por mas que el estudio en las anteriores etapas hubiera sido muy completo, en laetapa de construcción es necesario continuar los estudios geotécnicos, haciendoinvestigaciones en aquellos lugares que no fueron tenidos en cuenta , ya sea porque se modifico el sitio de alguna obra, o bien porque en la localización en el terrenose encontró la necesidad de construir obras adicionales o por que el terreno no sepresento tal como se indicaba en los estudios previos. También es necesariocomprobar los supuestos tomados en los diseños tipitos u otras obras que no fueroninvestigar en los estudios previos.En este caso la caracterización geotécnica se realiza siguiendo los mismosprocedimientos. Sin embargo, teniendo en cuenta que muchas veces los problemasque se presentan son de solución inmediata, debido a que la construcción puedetener trastornos, los conceptos geotécnicos en la mayoría de los casos debeemitirse basados en las investigaciones precedentes, ayudados de consultabibliográfica y buen criterio de los profesionales.5. Operación.En esta etapa los aspectos geotécnicos tienen carácter observacional, realizandoinvestigaciones solo en aquellos lugares que presentan problemas de estabilidad. DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES GEOTÉCNICASEn los estudios geotécnicos la caracterización de los materiales se hace mediantediferentes formas, dependiendo del nivel del proyecto, disponibilidad de recursos,grado de detalle, etc. Las principales formas para determinar propiedades de losmateriales son: 6
  • 7. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZ1. Caracterización visual y táctil.Mediante observación es posible determinar color, olor, textura, granulometría,plasticidad, dureza, grado de alteración, fracturamiento, inclinación de estratos,estratigrafías, relieve, presencia de agua. Esta primera caracterización esfundamental y necesaria para adelantar posteriores investigaciones, formando partede todos los estudios, desde el nivel más general hasta el mas detallado.2. Caracterización por bibliografía.Teniendo la caracterización visual y táctil de los materiales es posible evaluar enforma aproximada algunas propiedades cuantitativas recurriendo a informes yescritos donde se presentan resultados de ensayos en materiales similares.También en libros de mecánica de rocas y mecánica de suelos aparecen confrecuencia tablas y gráficas en que se relacionan caracterizaciones con rangos devalores límites de algunas propiedades.Los valores obtenidos por este método tienen un carácter orientador y solo puedeser utilizado para análisis y cálculos preliminares.3. Ensayos de laboratorio.Los ensayos de laboratorio se hacen sobre muestras representativas obtenidas delmaterial estudiado. Dichas muestras deben reunir ciertas condiciones de geometríay dimensiones. La cantidad de ensayos no están estandarizados pero vale la penatener en cuenta la siguiente tabla que relaciona la cantidad de ensayos con laseguridad en los parámetros obtenidos.Cantidad de ensayos 2 3 4 5 6 16 Seguridad 0.61 0.77 0.86 0.91 0.94 0.99Los ensayos se programan de tal manera que se determinen las propiedades querealmente se requieran para caracterizar adecuadamente el material, dependiendode la obra a construir.Es recomendable, antes de iniciar los trabajos de exploración hacer un análisisteórico preliminar con el fin de identificar las propiedades que se requieren del suelopara diseñar la obra.4. Ensayos in-situ.Estos ensayos, aunque son más costosos y dispendiosos, se han desarrollado porque los resultados obtenidos se ajustan más a las reales condiciones del terreno. 7
  • 8. CARACTERIZACIÓN GEOTECNICA ING. RICARDO OCHOA DIAZCon estos ensayos es posible obtener propiedades mecánicas que consultan mejorlas propiedades del terreno, ya que allí permanecen las condiciones deconfinamiento, humedad, y estado físico del material donde se ejecutara la obra.En cuanto a la permeabilidad, con estos ensayos se consiguen los mejoresresultados, ya que en el laboratorio es imposible reproducir las condicionesnaturales.5. Exploración del subsuelo.El subsuelo se puede explorar mediante diferentes forma: - Apiques y trincheras - Geofísica (geosísmica y geoeléctrica) - Sondeos mecánicos - Galerías de exploraciónMediante estos métodos, adecuadamente combinados y técnicamente aplicados esposible obtener el perfil estratilografico del lugar y algunas propiedades físicas,mecánicas e hídricas. 8