El analisis de suelos en la ingenieria civil

Procesos para el análisis de suelos

En el desarrollo de un proyecto civil, se requiere conocer previamente las condiciones del terreno donde se apoyara la estructura, o si la estructura a desarrollar es construida con tierra o roca, además de las condiciones del suelo es necesario conocer las posibles fuentes de material.

Cuando se analiza una estructura, desde el punto de vista de la mecánica de suelo, se puede hablar de tres categorías:

1. Estructuras donde el problema básico es el entendimiento de la interacción de la estructura con el suelo. Dentro de estas estructuras se incluyen: Fundaciones, estructuras de retención, líneas de túneles o sistemas de conducción
2. Estructuras construidas en tierra como vías, carreteras, presas de tierra o pedraplenes, bases y sub bases para pavimentos.
3. Estructuras de tierra o rocas en condiciones naturales, en estas incluimos los taludes naturales o los cortes generados ante alguna obra o acción desarrollada por el hombre.

En cualquiera de estos casos, el entendimiento de las propiedades del suelo ayuda a la mejor comprensión de los posibles problemas o situaciones generadas, de esta manera los diseños o acciones seguirán las condiciones de seguridad y economía de la obra.

Debido a que en la mayoría de los casos los costos del estudio de suelo son los mas exigentes al inicio de cada obra y que se debe asegurar siempre que los estudios cubran toda la zona de influencia de esta, es necesario desarrollar un adecuado programa de exploración y muestreo del área de interés.

Los procedimientos para obtener información de las características del suelo se pueden dividir en dos categorías:

1. Métodos indirectos: Dentro de estos se incluyen fotografías aéreas, mapas topográficos, interpretación de mapas e informes de reportes geológicos o estudios de suelo previamente desarrollados.
2. Métodos directos: Realmente son los mas importante y los que mas información suministran desde el punto de vista del estudio de suelos, son:

• Reconocimiento geológico de la zona. Incluye la inspección visual directa por un profesional de las condiciones de los materiales en su estado natural, visitando laderas de ríos o quebradas, cortes existentes de vías, túneles o conducciones naturales.
• Realización de apiques, perforaciones, trincheras, que permitan la recuperación de muestras alteradas o inalteradas de la zona de interés.
• Ensayos preliminares in-situ los cuales permiten correlacionar los resultados obtenidos con las propiedades ingenieriles o la información general obtenida.
• Ensayos detallados in-situ, estos permiten medir directamente en campo  las propiedades de los suelos.

El propósito de este primer aparte es presentar la información respecto a las diferentes técnicas y métodos de recuperación de muestras tanto alteradas como inalteradas para la posterior evaluación de sus propiedades tanto física como mecánica.

2.      Tipos de muestras

Las muestras obtenidas en un proceso de muestreo son clasificadas en dos categorías dependiendo de la alteración que sufren al ser retiradas de su lugar original: Muestra alteradas y muestras inalteradas.

a.      Muestras Alteradas: Una muestra alterada se define como aquella donde parte de ella o toda, ha sufrido una alteración tal que ha perdido la estructura que poseía in-situ, estas muestras no representan de forma real las propiedades ingenieriles de resistencia y permeabilidad del suelo. Una muestra inalterada generalmente es usada para los procesos de identificación y caracterización del suelo. Las muestras inalteradas también son usadas para preparar especimenes de laboratorio y evaluar en ellos propiedades de permeabilidad y resistencia mecánica, cuando la destinación del suelo sea como elemento de construcción.

b.      Muestras Inalteradas: Son aquellas muestras obtenidas por medio de muestreadores y usando técnicas en las cuales es posible preservar de la estructura natural del material; aunque se use la expresión “inalterada” se debe tener en cuenta que una muestra de suelo al ser retirada de sus condiciones naturales sufre algún tipo de remoldeo o alteración, se denomina así por que representan fielmente las condiciones del suelo in-situ. En estas muestras se realizan todos aquellos ensayos que permiten evaluar las condiciones de resistencia del suelo y comportamiento ingenieril y las propiedades de permeabilidad, además determinar la humedad natural y todos los demás ensayos que se pueden ejecutar en las muestras alteradas.

Del tipo de muestra requerida dependerá el tipo de proceso de muestreo a planear.

3.     Recolección de muestras

3.1    Muestras Alteradas: El proceso de muestreo debe efectuarse según el fin que se persiga. Normalmente la recuperación se puede hacer de dos maneras diferentes:

3.1.1       Muestras obtenidas de sondeo a cielo abierto: Generalmente son excavaciones que se realizan para permitir la exposición de la configuración del terreno, el procedimiento para la recuperación es el siguiente:

• Se retira la primera capa que se encuentra en el suelo y se deposita aparte, en el proceso de muestreo nunca se desecha ni se contamina con la que se encuentra mas abajo. Esta primera capa es de espesores variables, de color oscuro y olor a materia orgánica, es sobre la cual se desarrolla la vida, esta capa sirve de nutrientes a las plantas y de hogar a muchos animales. En los proyectos para el desarrollo de obras civiles esta primera capa se le conoce comunmente como “capa estéril” debido a que no aporta nada al desarrollo del proyecto, pero en casos donde el objetivo del trabajo son procesos de recuperación de suelos o desarrollo de zonas de cultivo, esta es la capa mas importante a estudiar.
• Se toma muestras individuales de cada una de las capas a estudiar, este proceso se lleva a cabo con ayuda de palas, cuchillos, barras, siempre procurando no contaminar las capas entre si.
• Las muestras son almacenadas en bolsas o recipientes cerrados, debidamente rotulados que permitan la plena identificación de la muestra. Posteriormente son enviados al laboratorio.

Es común que en vez de tomar muestras individuales se requieran muestras integrales, o sea de todo el perfil de suelo observado, para ello es necesario almacenar en un solo recipiente la muestra tomada de todo el perfil. En cualquiera de los casos es necesario tapar la excavación realizada una vez finalice el proceso, dejando siempre para ubicar el suelo orgánico en la superficie.

3.1.2    Muestreo por barrenos: Es muy común que en vez de realizar una excavación, se realicen pequeñas perforaciones con ayuda de barrenos, el procedimiento es el siguiente:

• Con el barreno se avanza a lo largo del terreno extrayendo el suelo arrancado del perfil.
• Se separa en montículos el material retirado, separándolos a medida que se observen cambios en el material extraído.
• Los montículos se almacenan en bolsas o recipientes cerrados y rotulados, para luego ser enviados al laboratorio.
• Si el objetivo es recuperar muestras integrales, se deposita todo en un solo montículo y es este el que se guarda y envía al laboratorio.

3.2      Recolección de muestras inalteradas: El caso mas simple corresponde al de cortar un determinado trozo del suelo deseado cubriéndolo con parafina para evitar perdidas de humedad y empacándolo debidamente para enviarlo al laboratorio. El proceso para obtener este tipo de muestras es el siguiente:

• Se limpia y pule la superficie del terreno y se marca el contorno del trozo.
• Se excava una zanja alrededor del trozo deseado.
• Se ahonda la excavación y se cortan los lados del trozo empleando un cuchillo de hoja delgada.
• Una vez tallada la muestra, de corta el trozo y se retira del hoyo. La cara del trozo que corresponda al nivel del terreno se marca con una señal cualquiera para conocer la posición que ocupaba en el terreno. Luego se aplican dos o tres capas de parafina caliente, se rotula y se envía al laboratorio.
• Si la muestra no va a ser usada pronto, necesita una protección adicional además de las capas de parafina. Esta protección consiste en envolver la muestra en una tela blanda, amarrándola con un cordel, hecho esto se sumerge la muestra entera en parafina en repetidas ocasiones, de tal manera que se alcance un espesor mínimo de 3 mm, suficiente para garantizar su impermeabilidad.
• En algunas ocasiones es conveniente además, empacar la muestra en una caja de madera para transportarla al laboratorio.

La excavación a cielo abierto brinda siempre una información correcta  hasta donde llega, pues permite la inspección visual de los estratos del suelo, sin embargo en muchas ocasiones se requiere estudiar el suelo a profundidades mayores que las que pueden ser alcanzadas satisfactoriamente por excavaciones a cielo abierto, en estos casos es conveniente realizar perforaciones de profundidad. Esta perforaciones se pueden hacer mediante el uso de barrenas hasta llegar al estrato requerido y de allí sacar con un muestreador especial la muestra inalterada.

Las barrenas pueden ser de diferentes tipos, la mayoría de ellas son relativamente cortas variando fácilmente su tamaño. Esta barrenas se hincan por rotación o ejerciendo una presión constante para facilitar su entrada.

Una vez se ha llegado al sitio de interés, uno de los equipos mas sencillos y eficientes para extraer la muestra es el tubo shelby, que consiste en un tubo metálico de paredes delgadas con un extremo afilado, este borde tiene un diámetro ligeramente menor que el interior del tubo, garantizando que la muestra pueda deslizarse libremente dentro sin fricción alguna, la parte superior posee la facilidad de implementar una válvula que evita que la muestra se salga cuando se retira el tubo del terreno.

Tipos de análisis de suelo

CONSTRUCCIONES Y CIMENTACIONES
El programa exploratorio para la cimentación de una construcción depende de dos factores:
1. El peso de la construcción y otras fuerzas que actúan sobre ella.
2. El servicio de la construcción o fin para el que se va a construir.
Si la estructura el ligera no es necesario mucho estudio, pero para estructuras pesadas es imprescindible explorar la profundidad mediante la toma de muestras con pozos y perforaciones, además conocer la geología local y regional

IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS EN EL CAMPO
Para un control adecuado de los suelos se necesita su perfecta identificación. La falta de tiempos o de medios hace que frecuentemente sea imposible el realizar detenidos ensayos para poderlos clasificar. Así pues la habilidad de identificarlos en el campo por simple inspección visual y su examen al tacto son:

Principales tipos de suelos para su identificación, todos los suelos pueden agrupar se en 5 tipos básicos:
La grava.- Esta formada por grandes granos minerales con diámetros mayores de ¼ de pulgada. Las piezas grandes se llaman piedras, cuando son mayores a 10 pulgadas se llaman morrillos.
La arena.- Se componen de partículas minerales que varían aproximadamente desde ¼ de pulgada a 0.002 pulgadas en diámetros.
El limo.- Consiste en partículas minerales naturales, mas pequeñas de 0.02 pulgadas de diámetro, las cuales carecen de plasticidad y tienen poca o ninguna resistencia en seco.
La arcilla.- Contienen partículas de tamaño coloidal que producen su plasticidad. La plasticidad y resistencia en seco están afectadas por la forma y la composición mineral de las partículas.
La materia orgánica.- Consiste en vegetales parcialmente descompuesto como sucede en la turba o en materia vegetal finalmente dividida, como sucede en los limos orgánicos y en las arcillas orgánicas

INSPECCION VISUAL
Forma del grano.- Se observan y clasifican las partículas de arena y grava en cuanto a su grado de angulosidad y redondos.
Tamaños y graduación de los granos.- Los tamaños en arenas y gravas se reconocen rápidamente por inspección visual. Los granos más pequeños que el limite menor de la arena no pueden verse a simple vista deben ser identificados por medio de otros ensayos.
Ensayo de sacudimiento. – Este ensayo es útil para la identificación de suelos de grano fino. Se prepara una pequeña porción de suelo húmedo y se agita horizontalmente sobre la palma de la mano. Se observa si el agua sale a la superficie de la muestra dándole una apariencia blanda, luego se aprieta la muestra entre los dedos haciendo que la humedad desaparezca de la superficie. Al mismo tiempo la muestra se endurece y finalmente se desmenuza bajo la presiente presión de los dedos, se vuelve a agitar las piezas rotas hasta que fluyan otra ves juntas, hay que distinguir entre reacción lenta, rápida y media al ensayo de sacudimiento.
Una reacción rápida indica falta de plasticidad, tal es el caso de limo inorgánico, polvo de roca o arena muy fina.
Una reacción lenta indica un limo o arcilla-limo ligeramente plástico.
Si no hay reacción es índice de una arcilla o material turboso.
Ensayo de rotura. - Este ensayo puede usarse para determinar la resistencia en seco de un suelo. Se deja secar una porción húmeda de la muestra y se ensaya su resistencia en seco desmenuzándola entre los dedos, se debe aprender a distinguir entre ligera, media y alta resistencia en seco.