La caracterización de suelos es un pilar fundamental en la ingeniería civil y geotécnica. A través de diversos ensayos, tanto en campo como en laboratorio, es posible determinar las propiedades mecánicas y dinámicas de los suelos, esenciales para el diseño y la construcción segura de infraestructuras. A continuación, se detallan algunos de los ensayos más relevantes y los conceptos asociados.

Ensayos Geofísicos Invasivos

Los ensayos geofísicos invasivos permiten determinar las propiedades dinámicas del suelo a diferentes profundidades, cruciales para el diseño sismorresistente.

Crosshole

El ensayo Crosshole es un método geofísico invasivo basado en la determinación de la velocidad de propagación de las ondas de compresión (P) y de cizalla (S) a diferentes niveles de profundidad. Requiere un mínimo de dos sondeos. Consiste en generar pulsos sísmicos dentro de uno de los sondeos (emisor) y determinar el tiempo transcurrido desde que se genera el pulso hasta que se recibe, por medio de un geófono de tres componentes en el otro sondeo. Conociendo la distancia que separa ambos sondeos, se puede obtener la velocidad de transmisión de las ondas sísmicas.

Downhole

El ensayo Downhole es un método geofísico destructivo recomendado por el DS61 para realizar un perfil de terreno y estimar la velocidad de onda de cizalla promedio en los primeros 30 metros (Vs30). Consiste en generar ondas sísmicas en la superficie mediante golpes verticales y horizontales en una placa ubicada a 1-3 m del pozo. Se registran los tiempos de llegada de las ondas P y S. Estas son registradas por un geófono triaxial situado en la parte inferior de la sonda, midiéndose cada 1 m hasta alcanzar la profundidad del pozo. Conociendo la geometría fuente-geófono del dispositivo y los tiempos de llegada de las ondas sísmicas, es posible calcular las velocidades de propagación a distintas profundidades.

Tipos de Ondas Sísmicas

Las ondas sísmicas son vibraciones que se propagan a través del suelo y son fundamentales para entender la respuesta dinámica de este.

Ondas P (Primarias)

Las Ondas P son ondas longitudinales o compresionales, lo cual significa que el suelo es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de propagación. Son las ondas más rápidas.

Ondas S (Secundarias o de Cizalla)

Las Ondas S son ondas en las cuales el desplazamiento es transversal a la dirección de propagación. Su velocidad es menor que la de las ondas P. Aparecen en el terreno algo después que las P. Son las que generan las oscilaciones durante el movimiento sísmico y las que producen la mayor parte de los daños estructurales.

Ondas Rayleigh

Las Ondas Rayleigh son ondas superficiales que producen un movimiento elíptico retrógrado del suelo.

Ondas Love

Las Ondas Love son ondas superficiales que producen un movimiento horizontal de corte en superficie. Solo se propagan por las superficies, es decir, por el límite entre zonas o niveles (Ejemplo: superficie del terreno).

Ensayos de Laboratorio y Campo para Propiedades Mecánicas

Estos ensayos permiten determinar la resistencia y deformabilidad de los suelos bajo diferentes condiciones de carga y drenaje.

Procedimiento de Ensayo Triaxial No Consolidado No Drenado (UU)

En el Ensayo Triaxial UU (No Consolidado No Drenado), si tenemos una masa de suelos con ejes coordenados, esquemáticamente, la muestra se somete primero a una presión de cámara que se aplica sobre toda la probeta, previo a una saturación de la muestra. En este caso, para un ensayo NO consolidado (U), una vez determinadas las presiones en torno a la probeta, se aplica inmediatamente la carga adicional vertical (esfuerzo desviador) sin permitir el drenaje.

Características de la Muestra para Obtener Su (Resistencia al Corte No Drenado)

Para obtener la resistencia al corte no drenado (Su) de un suelo, la muestra debe cumplir con ciertas características:

• Debe presentar presiones de poros al inicio y durante todo el ensayo, lo que implica que el ángulo de fricción (φ) se considera cero, y por esta razón, la envolvente de falla es horizontal.
• La muestra no debe consolidarse, de modo que no alivie las presiones de poros.
• Idealmente, la muestra debe ser un suelo puramente cohesivo (φ = 0 teóricamente, aunque en la práctica puede ser ~15°).
• Debe tener un contenido de finos suficiente para que la muestra sea impermeable.
• Debe tener una humedad adecuada y una velocidad de aplicación de carga que no permita el drenaje.

Ensayo de Penetración Estándar (SPT)

El ensayo SPT se usa prácticamente en todo tipo de suelos, incluso en rocas muy alteradas, pero preferentemente en suelos granulares. Se realiza en el interior de sondeos (durante la penetración). La frecuencia habitual del SPT a lo largo del sondeo es cada 2-5 m o mayor. Se introduce una cuchara partida en el sondeo, la cual consta de tres elementos (zapata, tubo bipartido y cabeza de acoplamiento). Este dispositivo se debe hincar en el terreno 60 cm, contando el número de golpes para cada 15 cm de penetración. Se registra el número de golpes para cada tramo de 15 cm, sumando los dos últimos tramos para obtener el valor N.

Ventajas del SPT:

• El valor N de resistencia a la penetración se puede correlacionar con parámetros geotécnicos como la densidad relativa, el ángulo de rozamiento interno, la carga admisible y los asentamientos en suelos.
• Se puede realizar en suelos con nivel freático (NF).

Desventajas del SPT:

• Avanzar menos de 15 cm en 50 golpes se considera rechazo.
• Factores que afectan la precisión incluyen la preparación y calidad del sondeo, la longitud del varillaje, etc.

Ensayo de Corte Directo

El ensayo de Corte Directo es predominante para suelos granulares finos. Consiste en tallar bloques generalmente dentro de calicatas de reconocimiento, en su base o paredes, lo que induce el plano de falla del bloque. El bloque se rodea con un marco metálico, el cual se une al bloque con mortero de cemento. El gato hidráulico que aplicará la fuerza horizontal, por lo general, se ancla a las paredes del pozo con hormigón. La presión vertical también es aplicada con un gato. Se deben medir los movimientos de las cuatro esquinas de la cara superior del bloque en dirección vertical y horizontal. Las cargas se miden con un anillo dinamométrico o mediante células de presión. Primero se aplica la fuerza vertical de confinamiento y luego la fuerza horizontal que provoca el esfuerzo cortante. Una limitación es que no siempre se pueden determinar las presiones efectivas directamente. Existen tres tipos principales de ensayos de corte directo:

• Ensayo U (No Consolidado No Drenado; UU): Se impide el drenaje durante ambas etapas.
• Ensayo CU (Consolidado No Drenado): Se permite el drenaje durante la primera etapa de consolidación, pero no durante la aplicación del esfuerzo desviador.
• Ensayo CD (Consolidado Drenado): Se permite el drenaje durante todo el ensayo, evitando la generación de presiones de poros.

Ensayo de Compresión No Confinada (CNC)

El ensayo CNC tiene por finalidad determinar la resistencia a la compresión no confinada (qu), donde la cohesión (c) se estima como c = qu/2, y el ángulo de fricción interna (φ) se considera 0 (teóricamente). Es un método rápido y económico. Consiste en un ensayo uniaxial, donde la probeta no tiene soporte lateral (σ3 = 0), realizándose en condiciones no drenadas. Las probetas deberán cumplir con un diámetro mínimo de 33 mm y un tamaño máximo de partícula de 1/10 de su diámetro. A partir de la obtención de una muestra de terreno, se corta un pedazo y se talla para dejarla al tamaño deseado. Previo a ensayar, se determina el diámetro, altura, peso, etc. Luego se aplica la compresión de carga y se toman las medidas del deformímetro. Después de esto, la probeta se remoldea.

Consideraciones del CNC:

• Es para suelos cohesivos.
• No es tan confiable debido a la pérdida de la restricción lateral provista por la masa de suelo.
• Además, la presión de poros y el grado de saturación no pueden controlarse.

Ensayo Triaxial

El ensayo Triaxial se realiza en una cámara de pared transparente llena de líquido, en la que se coloca la probeta cilíndrica de suelo (que, salvo precauciones especiales, tiene una altura de dos veces su diámetro), forrada con una membrana de caucho. Esta probeta va sujeta a un pedestal y a un cabezal, sobre los que se apoyan los extremos de la probeta. El ensayo se divide en dos etapas:

1. Primera Etapa (Consolidación): La probeta de suelo es sometida a una presión hidrostática de fluido, con esfuerzos verticales iguales a los horizontales. Durante esta etapa, la probeta es consolidada si se permite el drenaje del fluido de los poros; alternativamente, si el drenaje no puede ocurrir, se dice que la probeta es no consolidada.
2. Segunda Etapa (Aplicación del Esfuerzo Desviador): Se incrementan los esfuerzos verticales a través del pistón vertical de carga hasta la falla. En esta etapa, el operador tiene también la opción de permitir el drenaje y, por lo tanto, eliminar la presión neutra, o mantener la válvula correspondiente cerrada sin drenaje. Si la presión neutra es disipada, se dice que el ensayo es drenado; en caso contrario, es no drenado.

Así, los ensayos triaxiales se clasifican en:

• 1. No Consolidado No Drenado (UU): Se impide el drenaje durante las dos etapas.
• 2. Consolidado No Drenado (CU): Se permite el drenaje durante la primera etapa, pero no durante la segunda.
• 3. Consolidado Drenado (CD): Se permite el drenaje durante todo el ensayo y no se dejan generar presiones neutras, aplicando los incrementos de carga de forma pausada durante la segunda etapa y esperando que el suelo se consolide.

Luego, por el criterio de falla de Coulomb, se obtiene la resistencia al corte. Generalmente, el ensayo se realiza con 3-5 probetas. La representación de resultados en el círculo de Mohr está constituida por una serie de círculos cuya envolvente permite obtener los parámetros de resistencia del suelo. Las tensiones aplicadas son las principales, y las condiciones de drenaje pueden ser controladas con precisión.

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