Geología

Ingeniería geotécnica

Las calicatas o catas son una de las técnicas de prospección empleadas para facilitar el reconocimiento geotécnico, estudiosedafológicos o pedológicos de un terreno. Son excavaciones de profundidad pequeña a media, realizadas normalmente con pala retroexcavadora.

Las calicatas permiten la inspección directa del suelo que se desea estudiar y, por lo tanto, es el método de exploración que normalmente entrega la información más confiable y completa. En suelos con grava, la calicata es el único medio de exploración que puede entregar información confiable, y es un medio muy efectivo para exploración y muestreo de suelos de fundación y materiales de construcción a un costo relativamente bajo.

Es necesario registrar la ubicación y elevación de cada pozo, los que son numerados según la ubicación. Si un pozo programado no se ejecuta, es preferible mantener el número del pozo en el registro como "no realizado" en vez de volver a usar el número en otro lugar, para eliminar confusiones. La profundidad está determinada por las exigencias de la investigación pero es dada, generalmente, por el nivel freático.

La sección mínima recomendada es de 0,80 m por 1,00 m, a fin de permitir una adecuada inspección de las paredes. El material excavado deberá depositarse en la superficie en forma ordenada separado de acuerdo a la profundidad y horizonte correspondiente. Debe desecharse todo el material contaminado con suelos de estratos diferentes. Se dejarán plataformas o escalones de 0,30 a 0,40 metros al cambio de estrato, reduciéndose la excavación. Esto permite una superficie para efectuar la determinación de la densidad del terreno. Se deberá dejar al menos una de las paredes lo menos remoldeada y contaminada posible, de modo que representen fielmente el perfil estratigráfico del pozo. En cada calicata se deberá realizar una descripción visual o registro de estratigrafía comprometida.

Las calicatas permiten:

• Una inspección visual del terreno "in situ".
• Toma de muestras.
• Realización de algún ensayo de campo.

La profundidad de este tipo de reconocimiento no suele pasar de los 5 metros, aunque en casos extremos puede alcanzar los 10 metros de profundidad. La dimensión mínima en planta, indicada por la norma N.T.E., es de 75 milímetros.

En determinados tipos de terreno, cuando haya personal en su interior realizando la maniobra de toma de muestras, la calicata deberá ser entibada.

Calicatas

Las calicatas permiten la inspección directa del suelo que se desea estudiar y, por lo tanto, es el método de exploración que normalmente entrega la información más confiable y completa. En suelos con grava, la calicata es el único medio de exploración que puede entregar información confiable, y es un medio muy efectivo para exploración y muestreo de suelos de fundación y materiales de construcción a un costo relativamente bajo.

            Es necesario registrar la ubicación y elevación de cada pozo, los que son numerados según la ubicación. Si un pozo programado no se ejecuta, es preferible mantener el número del pozo en el registro como "no realizado" en vez de volver a usar el número en otro lugar, para eliminar confusiones.

            La profundidad está determinada por las exigencias de la investigación pero es dada, generalmente, por el nivel freático.

La sección mínima recomendada es de 0,80 m por 1,00 m, a fin de permitir una adecuada inspección de las paredes. El material excavado deberá depositarse en la superficie en forma ordenada separado de acuerdo a la profundidad y horizonte correspondiente. Debe desecharse todo el material contaminado con suelos de estratos diferentes. Se dejarán plataformas o escalones de 0,30 a 0,40 metros al cambio de estrato, reduciéndose la excavación. Esto permite una superficie para efectuar la determinación de la densidad del terreno. Se deberá dejar al menos una de las paredes lo menos remoldeada y contaminada posible, de modo que representen fielmente el perfil estratigráfico del pozo. En cada calicata se deberá realizar una descripción visual o registro de estratigrafía comprometida.

A cada calicata se le deberá realizar un registro adecuado que pasará a formar parte del informe respectivo. La descripción visual de los diferentes estratos se presentará en el formato de la figura 5.1 y deberá contener, como mínimo, toda la información que allí se solicita.

Fig. 5.1 Presentación de la estratigrafía según descripción visual en pozos de reconocimiento.

La estratigrafía gráfica debe presentarse mediante la simbología que se muestra en la figura 5.2.

El laboratorista deberá registrar claramente el espesor de cada estrato y efectuar una descripción del mismo mediante identificación visual basado en la pauta que se indica.

Los suelos es posible agruparlos en tres grupos primarios, sin embargo, en la naturaleza se encuentran compuestos, pero es posible discernir el componente predominante y asimilar la muestra a ese grupo. La principal distinción se hace sobre la base del tamaño. Las partículas individuales visibles forman la fracción gruesa y las demasiado pequeñas para ser individualizadas componen la fracción fina. Los componentes orgánicos del suelo consisten en materia vegetal descompuesta o en proceso de descomposición, lo que le impone al suelo una estructura fibrosa. Pueden ser identificados por sus colores oscuros y el olor distintivo.

- Tamaño: Los suelos gruesos son aquellos en que más de la mitad de las partículas son visibles. En esta estimación se excluyen las partículas gruesas mayores a 80 mm (3"); sin embargo, tal fracción debe ser estimada visualmente y el porcentaje indicado independientemente del material inferior a 80 mm. La fracción gruesa comprende los tamaños de gravas y arenas, y la fracción fina los limos y arcillas.

En caso de suelos mixtos, la muestra se identificará sobre la base de la fracción predominante usando los siguientes adjetivos, según la proporción de la fracción menos representativa; indicios: 0-10%, poco: 10-20%, algo: 20-35%; y abundante: 35-50%.

-  Color: Se debe indicar el color predominante.

-  Olor: Las muestras recientes de suelos orgánicos tienen un olor distintivo que ayuda a su identificación. El olor puede hacerse manifiesto calentando una muestra húmeda.

- Humedad: En las muestras recientes deberá registrarse la humedad. Los materiales secos necesitan una cantidad considerable de agua para obtener un óptimo de compactación. Los materiales húmedos están cerca del contenido óptimo. Los mojados necesitan secarse para llegar al óptimo, y los saturados son los suelos ubicados bajo un nivel freático.

- Estructura: Si los materiales presentan capas alternadas de varios tipos o colores se denominará estratificado; si las capas o colores son delgados, inferior a 6 mm, será descrito como laminado; fisurado si presenta grietas definidas; lenticular si presenta inclusión de suelos de textura diferente.

- Cementación: Algunos suelos muestran definida evidencia de cementación en estado inalterado. Esto debe destacarse e indicar el grado de cementación, descrito como débil o fuerte. Verificando con ácido clorhídrico si es debida a carbonatos y su intensidad como ninguna, débil o fuerte.

- Densificación: La compacidad o densidad relativa de suelos sin cohesión puede ser descrita como suelta o densa, dependiendo de la dificultad que oponga a la penetración de una cuña de madera.

La consistencia de suelos cohesivos puede ser determinada en sitio o sobre muestras inalteradas de acuerdo con el criterio indicado en Tabla V.1. Los valores de resistencia al corte están basados en correlaciones con penetrómetro de bolsillo usado frecuentemente para estimar la consistencia.

-  Clasificación: Se debe indicar además la clasificación probable. Pueden usarse clasificaciones dobles cuando un suelo no pertenece claramente a uno de los grupos, pero tiene fuertes características de ambos grupos. Deben colocarse entre paréntesis para indicar que han sido estimadas.

-  Nombre local: El uso de nombres típicos tales como caliche, maicillo, pumicita, cancagua, etc., además de su designación según el sistema de clasificación de suelo, ayuda a identificar sus condiciones naturales.

La descripción de suelos, en especial su clasificación, está basada en examen visual y ensayes manuales, y no debe contener refinamientos que sólo pueden determinarse con equipo de laboratorio, aunque éstos sean contradictorios. Ocasionalmente los suelos son descritos con tal cantidad de detalles que el cuadro presentado es más confuso que esclarecedor; sin embargo, es mejor errar por el lado del exceso de detalles, que pueden seleccionarse, que presentar descripciones incompletas.

En todo caso se estima recomendable utilizar corno pauta las definiciones y recomendaciones contenidas en la norma ASTM D 2488, denominada "Descripción de suelos" (procedimiento Visual- Manual).

Estas descripciones visuales deberán contener como mínimo los siguientes antecedentes:

-  Identificación de la calicata mediante un número, especificado su ubicación con respecto al kilometraje del eje o sus coordenadas, nombre las laboratorista y fecha de la inspección.

-  Profundidad total.

-  Profundidad de la napa de agua, referida al nivel del terreno natural y fecha de observación.

-  Profundidad de los diferentes estratos por describir, referidas al nivel del terreno natural.

-  Descripción del suelo empleando la terminología  que se entrega en la figuras 5.1 y 5.2, según se trate de suelos gruesos o finos, respectivamente.

-  Cantidad y tipo de las muestras tomadas en la calicata.

-  Observaciones y otras características relevantes.

Desde las paredes y piso de las calicatas se deben obtener las muestras que serán llevadas a laboratorio.

Todas las muestras que se obtengan deberán ser perfectamente identificadas, incluyendo a lo menos los siguientes tópicos: identificación de la calicata; profundidad a la que fue tomada; nombre de la persona que la tomo y fecha de obtención.

Se distinguen dos tipos de muestras que se pueden obtener:

-  Muestra perturbadas. Se obtienen en general de las paredes de los pozos y comprometen estratos determinados o bien la suma de algunos de ellos, como es el caso de la investigación de yacimientos. Estas muestras deben guardarse en bolsas impermeables y de resistencia adecuada. Cada bolsa debe identificarse clara e indeleblemente.

Muestras en bolsas: Las muestras en bolsas se toman con pala, barreta o cualquier otra herramienta de mano conveniente y se colocan en bolsas sin tratar de mantener al suelo en forma inalterada, estas muestras se usan para:

·         Análisis granulométrico.

·         Ensayos de plasticidad.

·         Ensayos de compactación – humedad óptima.

·         Ensayos de compactación CBR en laboratorio.

- Muestra sin perturbar. Este tipo de muestra se recorta de las paredes de los pozos  y compromete estratos bien definidos. Después de cortadas deben revestirse con una capa de parafina sólida aplicada con brocha.

Es conveniente agregar alrededor de un 30% de cera virgen a la parafina sólida con el fin de que la capa protectora sea menos rígida. Si la consistencia de la muestra es relativamente blanda, debe rodearse de grasa y recubrir una vez mas con parafina sólida y cera. Una vez dado el tratamiento anterior, debe colocarse en cajas de madera con aserrín u otro producto que actúe como amortiguador de golpes.

Las muestras sin perturbar deberán tomarse apenas excavadas las calicatas, en especial cuando se trate de suelos cuya estructura se ve afectada por los cambios de humedad. En todo caso, al tomar una muestra no perturbada, debe elegirse la pared de la calicata menos expuesta al sol y debe excavarse el espesor superficial que haya  sido afectado por los cambios de humedad.

No deben escatimarse esfuerzos en el embalaje adecuado de las muestras, ya que el grado de perturbación que se le ocasione a una muestra no perturbada es irrecuperable y lleva a resultados erróneos. En las calicatas, es posible realizar ensayes en sitio tales como las pruebas de carga con placas, CBR, permeabilidades, medidas de densidad, etc. Las pruebas de carga pueden realizarse contra el fondo de la perforación o las paredes de la misma.

Cada vez que sea necesario realizar un ensayo en sitio en una calicata, la excavación deberá realizarse considerando este hecho, dado que este tipo de prueba obliga a tomar medidas especiales que determinan la forma de excavación. Es así como la toma de densidades obliga a realizar éstas a medida que la excavación se realiza, o bien es necesario dejar bancos intermedios.

            El muestreo es tan importante como el ensaye y se deben tomar las precauciones para obtener muestras que exhiban la naturaleza real y condiciones de los suelos que se representan. Salvo situaciones que exijan determinación de resistencia o consolidación, las muestras necesarias para diseño de superestructura de obras viales serán perturbadas.

Fig  5.3  Obtención de  muestras inalteradas

            La cantidad de muestras necesarias para análisis básicos será la indicada en la siguiente tabla.

ENSAYE	Peso de Muestra Kg	Observación
- Granulometría
Dmax. Menor que el tamiz 80 mm	32
Dmax. Menor que tamiz 25 mm	10
Dmax. Menor que tamiz 10 mm	4
- Limites de Consistencia	0.15	Fracción menor que tamiz 0.5 mm
- Densidad de Partículas Sólidas
Fracción mayor que tamiz 5 mm	4	Tamaño máximo = 40 mm
	8	Tamaño máximo = 50 mm
	20	Tamaño máximo = 80 mm
Fracción menor que tamiz 5 mm	0.03
- Proctor Modificado	15	Métodos A y C
	30	Métodos B y D
- CBR	50	En suelo con tamaño max.< tamiz 20 mm

Tabla V.1  Cantidad de muestra según tipo de ensaye

A cada calicata se le deberá realizar un registro adecuado que pasara a formar parte del análisis respectivo. La descripción visual de los diferentes estratos deberá contener, como mínimo:

* Nombre del proyecto

* Sector/tramo

* Nº de pozo

* Ubicación respecto a un eje de referencia

* Cota

* Fecha de la inspección

* Inspector

* Descripción del suelo, etc.

            Las muestras se someterán a los análisis de clasificación:

* Granulometría.

* Límites de consistencia: Límite líquido y Límite Plástico.

* Constantes físicas: Densidad de partículas sólidas y Densidad neta.

Una vez realizados estos análisis, con objeto de abreviar los ensayes correspondientes a la determinación del valor de soporte California (CBR) y el de Relación Humedad - Densidad (Proctor), se podrán agrupar las muestras de características similares a una muestra patrón representativa, siempre que cumplan los siguientes requisitos:

* Las muestras correspondan a un mismo sector o zona.

* Tengan la misma clasificación general.

* Pertenezcan a uno de los siguientes rangos de índice de grupo (IG): entre 0 y 2; 3 y 7; 8 y 15; 16 y 25, y sobre 25.

* La comparación de sus  granulometrías no presente discrepancias superiores a:

Tamiz 20 mm  = ± 12% ;  Tamiz  5 mm   = ±  8%  ; Tamiz  2 mm  = ±  6%  ;  Tamiz  0.08 mm  = ±  4%(si pasa menos de un 35%) ó ± 6% (si pasa más de un 35%).

* El índice de plasticidad no debe discrepar  mas de

                        Si                       IP < 10 : ± 2

                        Si               10 < IP < 20 : ± 3

                        Si                       IP > 20 : ± 4

El ensaye CBR también puede aplicarse a muestras inalteradas, siempre que se cuide de colocarlas en el molde sin perturbarlas y que además se rellene con parafina sólida u otro material similar el espacio que quede entre las muestras y las paredes del molde. Hay suelos en que este trabajo presenta dificultades insalvables, lo que hace necesario recurrir a la realización de un ensaye de CBR "en sitio". El suelo ensayado no debe contener partículas mayores que el tamiz 20 mm.

Para definir el tamaño de la muestra de suelo que se deberá tomar en terreno destinada a ser ensayada en laboratorio, se deberá tener en cuenta lo que se indica a continuación.

- Ensayes que se han programado ejecutar.

- Tamaño máximo de las partículas.

- Reutilización de las muestras en ensayes de compactación.

A manera de información se anotan a continuación los tamaños de muestra requerido para diferentes casos:

 

Tabla V.2  Tamaños de muestra requerido

Para materiales de empréstit    o, de acuerdo con su posible utilización, se deberán completar los análisis con los siguientes ensayes:

a) Agregados para Bases y Sub-bases

-      Desgaste de Los Ángeles

b)  Áridos para Hormigón

- Finos menores a 0,08 mm

- Impurezas orgánicas del agregado fino

- Partículas deleznables (terrones de arcilla, yeso, mica, etc.).

- Sales solubles

- Desintegración por sulfatos, cuando corresponda.

c) Agregados para mezclas asfálticas y tratamientos superficiales.

- Adherencia con bitúmenes.

El informe geotécnico de yacimientos debe entregar, al menos, la siguiente información:

- Identificación: nombre ubicación y rol de propiedad (croquis con distancias fundamentales).

- Potencialidad del yacimiento.

- Condiciones de explotación, tales como: nivel freático, accesos, escarpes, uso actual del terreno, etc.

-  Características índices de los materiales que pueden obtenerse.

- Características y propiedades de los materiales para definir su aptitud, como agregado para hormigón, asfalto, bases, rellenos, etc.

- Limitaciones o condicionantes constructivas que puedan restringir su utilización (p. ej. condiciones de humedad, sobretamaño, etc.).

- Facilidades de energía eléctrica y recursos de agua.

            Es conveniente, dentro de cada región o provincia del país, tener un catastro de pozos de materiales y su factibilidad de empleo en los distintos tipos de obras viales.

Para su ubicación tenemos que distinguir dos tipos de materiales:

- Áridos Directos: Son aquellos materiales que para su utilización sólo es necesario realizar las operaciones para su extracción y clasificación, es decir, que se emplean tal como se encuentran en la naturaleza.

- Áridos Indirectos: Son aquellos materiales que además de los dos procesos señalados necesitan otro intermedio, que consiste en su elaboración o chancado, selección, etc., por no ser utilizables con el tamaño que se extraen.

Los Yacimientos proceden de depósitos que pueden ser: Fluviales, Glaciares, Torrenciales. Eólicos y Marinos.

Los depósitos fluviales se encuentran en ríos, zonas inferiores de los valles, cauces de avenidas, estuarios y deltas. Son los depósitos más utilizados dado que tienen, considerando el largo recorrido desde su punto de origen hasta su depósito, granulometrías definidas y homogéneas, formas redondeadas y superficies algo ásperas, lo que le da una primera selección natural. Además son de fácil explotación.

Los depósitos glaciares son más heterogéneos tanto en calidad como en tamaño y granulometría, siendo menos limpios que los fluviales. Se les ubica en pequeñas colinas, denominadas morrenas, que se formaron por arrastre al pie de los glaciares. Son de difícil explotación.

Los depósitos torrenciales se encuentran en los conos de deyección y en zonas áridas, son uniformes y de forma angular, pero en general son depósitos de materiales heterogéneos y mal graduados.

Los depósitos eólicos son productos detríticos de granulometría fina y uniforme (dunas). Suelen ser materiales cuarzosos que han resistido la dura erosión generada por el roce. Son de fácil explotación.

Los depósitos marinos son un importante proveedor de materiales aun cuando quedan limitados por las sales que contienen.