Fases y Metodología de la Caracterización Geológica y Geotécnica del Terreno

FASES DE LA TAREA DE INGENIERÍA GEOLÓGICA

1. Estudio de Viabilidad o Estudio Preliminar:

Recopilación de toda la información disponible (topografía, geomorfología, geología, hidrogeología, sismicidad)
Interpretación de fotografías aéreas, terrestres e imágenes de satélite.
Reconocimiento de superficie geológica
Selección de ubicaciones alternativas.
Definición de campaña de prospección y ensayos.
Informe preliminar

2. Anteproyecto o Proyecto Base

Ejecución de la campaña de prospección y pruebas (métodos acelerados de prospección mecánica y geofísica; pruebas in situ y de laboratorio)
Zonificación geotécnica preliminar (cartografía geotécnica, clasificación geotécnica de terrenos)
Elección definitiva de la solución a adoptar
Definición de campañas complementarias de prospección y testing.
Predimensionado
Informe

3. Proyecto o Proyecto de Ejecución

Ejecución de campañas complementarias de prospección y testing.
Zonificación geotécnica detallada
Parámetros de dimensionamiento y análisis de estabilidad de estructuras.
Informe

4. Construcción

Seguimiento de la obra.
Mapeo de superficies excavadas.
Control de calidad de la construcción de vertederos.
Instalación del plan de observación y auscultación (monitoreo)
Informe final

5. Post-construcción

Análisis e interpretación de los datos obtenidos del seguimiento.

METODOLOGÍA DE LA CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA Y GEOTÉCNICA DEL TERRENO

1º – Colección Bibliográfica y Trabajo de Oficina

Recopilación y análisis de elementos existentes respecto a la región en estudio. (topográfico, geológico, sismológico y geotécnico).
Análisis de la historia geológica → comprender y definir un modelo de comportamiento geotécnico del terreno (basado en el modelo geológico; conceptual).
Observación e interpretación geológica y geotécnica de fotografías y/o imágenes aéreas. El satélite puede proporcionar datos de gran interés (distribución de diferentes tipos de aspectos litológicos, estructurales y geomorfológicos, características de drenaje y ocupación humana de la tierra, etc.).
La actividad sísmica local se evalúa a través de la historia sísmica de la región, con base en el registro de intensidades sísmicas históricas.

Fuentes de Información y Bases de Datos Geológicas y Geotécnicas

Cartografía Geológica: escalas 1/50.000, 1/200.000, 1/500.000 y 1/1.000.000.
Servicios Geológicos de Portugal (LNEG: http://geoportal.lneg.pt/)
Planes directores municipales y otros planes de ordenamiento territorial
Dirección General del Territorio
Centro de información geoespacial del ejército
Sistema de Información Geográfica Nacional
Sistema Nacional de Información Territorial

Eurocódigo 8 – Resistencia a los Terremotos

Objetivos: Protección de vidas humanas; limitar el daño; asegurar el mantenimiento de estructuras de protección civil en funcionamiento importante.
Requisitos de desempeño: NO COLAPSO – Acción sísmica del proyecto – definida en los anexos nacionales de cada país; valor recomendado (y adoptado en Portugal) para los casos actuales: acción con probabilidad de ocurrencia del 10% en 50 años (período de retorno de 475 años). LIMITACIÓN DE DAÑOS – Acción o servicio sísmico frecuente; valor recomendado (y adoptado en Portugal) para los casos actuales: acción con una probabilidad de ocurrencia del 10% en 10 años (período de retorno de 95 años).

2do – Reconocimiento de Campo

La especificación LNEC E – 219 define el reconocimiento como “examen y evaluación preliminar del terreno y las condiciones locales para un propósito determinado”.
Debe ser elaborado y precedido por el relevamiento y estudio de todos los elementos bibliográficos y complementarios existentes sobre el área en cuestión a estudiar.
Elaboración y/o detalle de un mapa geológico y geotécnico adecuado al tipo y tamaño de las obras.
Debe realizarse tantas veces como sea necesario para aclarar todas las dudas existentes (en las diferentes fases del proyecto).
Permite obtener algunos datos básicos.

3º Prospección Geotécnica

Complementar la información existente.
La especificación LNEC E – 219 define la prospección territorial como: “conjunto de operaciones encaminadas a determinar la naturaleza y características del terreno de interés para este trabajo”.
Trabajos de prospección realizados normalmente (4 grandes grupos): Prospección geofísica, Prospección mecánica, Pruebas in situ y recogida de muestras, Pruebas de laboratorio
Plan de prospección geotécnica: definición y ubicación de los trabajos de prospección a realizar, profundidades mínimas a alcanzar, indicación de recogida de muestras y pruebas in situ.
Se debe comenzar el trabajo utilizando las técnicas más simples y económicas, e ir avanzando hacia otras más complejas y costosas debido a la necesidad de estudios más detallados.

4º – Elaboración de la Memoria Descriptiva e Informativa

Recopilación e interpretación de la información obtenida en una memoria descriptiva.
Informe geológico-geotécnico
Piezas escritas y dibujadas: informe, plano y perfil geológico y geotécnico interpretativo
Zonificación geológica y geotécnica del sitio y todos los elementos y recursos cualitativos y cuantitativos necesarios para el diseño y dimensionamiento de todas las estructuras planificadas.
Siempre que sea posible se podrán indicar diferentes soluciones constructivas, presentando las ventajas y desventajas.

PROSPECCIÓN GEOTÉCNICA

CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA Y GEOTÉCNICA DEL TERRENO

Suelos y rocas ->Indispensable para el diseño y ejecución de la gran mayoría de obras de ingeniería.

Objetivo fundamental de la ingeniería geológica, integrando la mecánica de suelos y mecánica de rocas
Dirigida (para un proyecto determinado) o Sistemática (cartografía geotécnica)
Se realiza por fases (optimizar recursos; cada fase debe guiarse siempre por los resultados obtenidos en las fases anteriores, que se irán complementando sucesivamente)
Fases: planificación, diseño, construcción, post-construcción (observación/seguimiento)
La cantidad y calidad de los recursos utilizados dependen del tamaño y complejidad del trabajo y del escenario geológico y geotécnico predecible y/o encontrado.

Prospección Geotécnica (definido antes)

Especificación LNEC E-219: Exploración geotécnica del sitio de un futuro. El trabajo es el conjunto de operaciones encaminadas a la determinación de la naturaleza y características del terreno de interés para este trabajo.
Objetivos: Conocer y cuantificar las características del terreno necesario para la viabilidad, diseño y construcción de una obra. IDENTIFICAR: tipos de materiales en el subsuelo CARACTERIZAR – predecir el comportamiento TAMAÑO – ejecución MONITOREAR – mejorar

Métodos de Prospección:

Prospección geofísica
Prospección mecánica
Pruebas in situ y recogida de muestras.
Pruebas de laboratorio.

MÉTODOS:

Directos (Prospección mecánica: Acequias, pozos, galerías, trincheras)
Semi – directos (Prospección mecánica (encuestas) + Pruebas in situ)
Indirectos (prospección geofísica).

Métodos Directos:

Observación directa del subsuelo y recogida de muestras:

Pozos (En suelos blandos y rocas. En las primeras etapas de prospección. Profundidad limitada. Excavación en extensión lineal (zanjas, zanjas). Excavaciones más circunscritas (pozos). Menor costo relativo)
Trincheras
Galerías (Sobre roca. Grandes proyectos. Complejidad geológica. Fases avanzadas de prospección. Acceso al interior del macizo. Masiva en profundidad y extensión. Alto costo)

Métodos Indirectos

Técnicas que permitan la investigación del subsuelo determinando parámetros físicos de materiales geológicos;
Las variaciones detectadas permiten identificar diferentes características de los materiales.
Importante en estudios preliminares de obras importantes; áreas más amplias.

Método de Refracción Sísmica (mirarse ensayo):

A lo largo de un perfil de varias decenas de metros, en la superficie del suelo.
Colocación de varios receptores de energía sísmica (geófonos) a lo largo de una alineación, con distancia constante.
Permite obtener velocidad de propagación de compresión y corte (P, S).
Las ondas sísmicas generadas que se propagan en el suelo se refractan en los límites entre diferentes ambientes (permitiendo distinguir diferentes litologías).
La velocidad de propagación de las ondas P depende, entre otros, del tipo de roca, su estado de alteración, la resistencia.
La determinación de la velocidad de propagación de ondas compresivas (P) y corte (S) le permite determinar: • Contacto suelo/roca • Espesor y contacto entre formaciones. • Tipo de materiales • Ripabilidad/excavabilidad • Parámetros de deformabilidad..

La ripabilidad depende de:

Naturaleza de los materiales – dureza, fractura (F), estado de alteración (W)
Espesor y secuencia de materiales.
Cuanto menor sea la velocidad de propagación de las ondas elásticas, más fácil será rasgar el material.
Rippers – Tablas de ripabilidad

MÉTODOS DE PROSPECCIÓN SEMI – DIRECTOS: Prospección Mecánica (Sondeos) y Ensayos in situ.

Métodos Semi Directos:

Estudios y perforación: Encuestas para percusión. Encuestas para rotación. Encuestas para rotopercusión. Estudios > Altas profundidades, pueden ser destructivos / no destructivos
Ensayos in situ: En suelos: SPT*- P.D. -CPT/CPTU – Molinete – Medidor de presión – Dilatómetro – Lámina – Permeabilidad – Lefranc. En roca: Monos tradicionales – LFJ, SFJ – Dilatómetro – TTD – Permeabilidad.

ESTUDIOS:

Percusión (sondeo destructivo)

Perforación por percusión – trituración/trituración de materiales por el impacto de una broca (corte de piezas de acero) suspendido por un cable.
Principio: rotura por caída de una masa con un peso determinado, desde una altura constante; manual o mecánico (unas pocas decenas de m).
En suelos blandos o rocas.
El material desintegrado se elimina mediante un limpiador; permite la recogida de muestras (revueltas).

Rotación del Sinfín (sondeo destructivo)

Método de perforación más sencillo.
Perforación manual o mecánica.
Para el reconocimiento inicial de grandes áreas; zonas de difícil acceso (portabilidad).
Varios diámetros.
Profundidades más limitadas (hasta unas pocas decenas de m).
En suelos blandos o rocas.
Recogida de muestras (revueltas).
Rápido; coste relativo reducido.

Rotación con Extracción de Núcleos (sondeo no destructivo)

Equipo animado con movimiento rotacional, con corona de corte.
Alcanzar grandes profundidades (miles de metros); pendiente variable.
No destructivo > con muestreo continuo (coring): – Avances por abrasión (corte); uso de coronas de diamante o tungsteno – Coronas con diferentes espesores y diámetros – Agua necesaria para refrigeración y lubricación
Partes: corona (abrasión y avance de corte) + muestreador + juego de varillas

Rotopercusión (sondeo destructivo)

Broca giratoria conectada a las varillas con una broca al final que corta y rompe (aplasta, desgasta) las rocas.
Los movimientos rotatorios del trépano van acompañados de un movimiento de percusión (con martillo).
Circulación de aire comprimido o fluido (agua o lodo) – para eliminar y llevar los desechos de perforación a la superficie, evitan que las paredes del pozo colapsen y enfriar las herramientas de desgaste.
El desgaste depende de: naturaleza del terreno, fuerza de apoyo del equipo, velocidad de rotación, tipo de fluido circulante.
Posible recolección de muestras perturbadas.
Diferentes inclinaciones; rápidamente.
Circulación directa/tradicional (fluido inyectado dentro de las varillas) Más rápido, más económico
Circulación inversa (fluido inyectado entre las paredes del agujero y las varillas) Menos erosión de las paredes

SONDEOS

Sondeos a percusión
Sondeos a rotación
Sondeos a rotopercusión.

Sondeos – Registros

Registros de encuestas/Boletín de encuestas

Identificación del levantamiento, ubicación, coordenadas, elevación, orientación e inclinación;
Método de perforación, muestreo y datos del equipo;
Registrar el progreso de la perforación, la ubicación de las pruebas o la recolección de muestras;
Registrar la profundidad del nivel freático y las variaciones del flujo;
Descripción geológica detallada (litología, alteración, W, fracturamiento, granulometría, etc.);
% de recuperación y RQD (designación de calidad de roca)
Resultados de otras pruebas

ENSAYOS IN SITU

En suelos:

SPT*
P.D.
CPT/CPTU
Molinete
Medidor de presión
Dilatómetro
Lámina
Permeabilidad – Lefranc

En roca:

Monos tradicionales
LFJ, SFJ
Dilatómetro
TTD
Permeabilidad – Lugeon

Encuestas de Penetración/Incrustación

Según el tipo de mecanismo de engaste puede ser estático o dinámico
Penetrómetros dinámicos: SPT, PD: SPT (prueba de penetración estándar): determinación de la resistencia ofrecida por el suelo y toma de muestras., PD (penetración dinámica) – determinación de la resistencia que ofrece el suelo, sin tomar muestra.
Penetrómetros estáticos: CPT: CPT (ensayo de penetración de conos) – determinación de la resistencia ofrecida por el suelo, sin toma de muestra. -Puede utilizarse en: • masas terrestres • áreas de masas rocosas altamente alteradas o descompuestas -Le permite evaluar: • compacidad de las formaciones más arenosas • consistencia de formaciones más arcillosas (materiales más finos)

A lo largo de los años de realización de estas pruebas, se han desarrollado correlaciones empíricas que permiten transformar los resultados obtenidos en parámetros geotécnicos cuantificados (utilizados en el dimensionamiento de obras geotécnicas con precaución).

Prueba SPT: a lo largo de Pozos

SPT: prueba de penetración estándar (creada en 1927).
Prueba in situ más utilizada en todo el mundo; por experiencia acumulada es de los ensayos más necesarios para el reconocimiento geotécnico del terreno.
Objetivo – incrustar un elemento en el suelo para evaluar la resistencia y capacidad de soporte del suelo.
Incrustar, en el fondo del orificio de perforación, un muestreador estándar (muestreador de Terzaghi), mediante la percusión de un peso normalizado (63,5 kg) que cae desde una altura de 76 cm.
Obtención de un valor N (0 – 60) de resistencia a la penetración, que puede correlacionarse con parámetros geotécnicos (densidad relativa, ángulo de fricción, tensiones admisibles, asentamientos, etc.).

Desventajas:

No muy estricto
Difícil correr sobre grava/guijarros
No hay grabación continua (normalmente cada 1,5 m)
Mala correlación para la arcilla.

Beneficios:

Bajo costo y fácil ejecución.
Permite la observación y recolección de muestras.
Experiencia adquirida (base de datos)
Disponibilidad
Obtención de un valor de prueba numérico que pueda correlacionarse (correlaciones empíricas) con diversos parámetros geotécnicos.

Penetrómetros Dinámicos

Clavar un elemento metálico en el suelo dejando caer un peso desde una masa normalizada en altura normalizado.
Varios tipos de pruebas de penetración dinámica luego difieren en el tamaño del equipo.
Se registra el número de veces que cae el peso sobre el tope para impulsar 10 o 20 cm de varillas metálicas.
Perfil continuo cada 10 cm o cada 20 cm.
Resistencia dinámica aparente del suelo luego es posible establecer con > rigor la zonificación geológico-geotécnica. – a partir de los resultados de la prueba (NPD): Calcular la resistencia a la penetración dinámica aparente, qd. (Fórmula holandesa)., Calcular el voltaje máximo permitido (qa) a partir de qd., Correlacionar el valor NPD o qd con los parámetros geotécnicos

Beneficios:

Pruebas continuas; permite obtener un perfil continuo de resistencia del suelo,
Ejecución sencilla y rápida,
No provoca perturbaciones en el estado de tensión, ya que no hay muestreo.,
No es necesario taladrar ningún agujero.

Limitaciones:

No es posible la recogida de muestras.,
Permite la medición de un solo parámetro – resistencia de la punta,
No mide parámetros de deformabilidad

Prueba CPT, CPTU, SCPTU

Prueba de Penetración de Cono (CPT)

Engarzado continuo (P y V constantes), con sistema hidráulico o mecánico, de varillas de unos pocos cm de longitud de diámetro y punta cónica de dimensiones estándar.
Se obtiene grabación continua; perfil del suelo
Mide la resistencia de la punta (qt) y la fricción (fs)
CPTU – también se obtiene el parámetro de presión neutra (u)
Equipado con geófonos (SCPTU): obtención de velocidades de ondas sísmicas (Vs y Vp)
Adecuado para suelos blandos, aluviales, arena fina y media.
Se utiliza para determinar la capacidad de carga, en cimentaciones, puentes y caminos.
Simula el comportamiento de pilotes

Beneficios

Ejecución rápida y de bajo costo.,
Perfil continuo,
No se requiere perforación previa,
Alta precisión,
Adquisición y procesamiento automático de datos.,
Baja alteración del suelo,
Posibilidad de ejecución por un solo operador.

Limitaciones

Imposibilidad de recolectar muestras.,
Equipo técnico complejo y soporte.,
Capacidad de prensado limitada por la capacidad de carga.,
Baja resolución horizontal,
Dificultad para mantener la verticalidad a grandes profundidades.,
Altos costos de equipo.

Ensayos in situ – Macizos Rocosos

Resistencia: El martillo de Schmidt, Corte por puntos (prueba de carga puntual), Corte directo in situ
Deformabilidad: LFJ -gato plano grande (gatos planos), Prueba de carga (monos tradicionales) Dilatómetro.
Tensión: SFJ – gato plano pequeño, STT – tubo tensor de tensión
Permeabilidad: Lugeon

Pruebas de Laboratorio:

Beneficios:

Condiciones de prueba bien definidas,
Menos dificultad en la interpretación de los resultados

Limitaciones:

Pequeño volumen de material involucrado,
Información discontinua,
Dificultad para obtener muestras de calidad sin deformar

Pruebas in situ:

Beneficios:

Volumen frecuente involucrado mente representativa,
No se requiere recolección de muestras,
Suelos testados en su entorno natural.,
Información continua (en algunos casos)

Limitaciones:

Condiciones de prueba que a veces son poco conocidas.
Condiciones de drenaje asumidas,
Estados de deformación no uniformes

Definir un Plan de Prospección:

Es importante saber:

Prospección/objetivos del proyecto (por ejemplo, prospección minera, hidrocarburos, captura y abastecimiento de agua, proyectos de ingeniería civil – tipo de estructura y su tamaño).
Qué propiedades/datos de los materiales geológicos se necesitan.
Información disponible; conocimientos existentes.
Condiciones geológicas generales (regionales y locales).
Accesos; plazos; presupuestos.

Es importante seleccionar los métodos de prospección más adecuados:

Que proporcione los datos necesarios → tipología y cantidad → calidad.
Considerar la relación costo/beneficio de cada método.
No existen reglas definidas con respecto al número, profundidad y ubicación de trabajos de prospección (hay algunas recomendaciones en EC7, por ejemplo).

Particularidades de la Prospección Geotécnica

La información solicitada no siempre es necesaria.
La información necesaria no siempre puede ser obtenida.
La información obtenida no siempre es suficiente.
No siempre se dispone de información suficiente y viable económicamente.

Errores a Evitar/Seguridad

Proyecto definido en base a aproximaciones aproximadas
Potencial de pequeños macizos poco aprovechados
Sobredimensionamiento de proyectos

Definición de un Plan de Prospección – Metodología

Área más amplia y limitada → Métodos más económicos → métodos más caros / > detalle.

El plan de prospección debe incluir:

Definición de los tipos de trabajos (in situ y laboratorio) a realizar y cantidades
Ubicación de las obras en planta y profundidad a alcanzar
Indicación de la recogida de muestras (tipo, cantidad, ubicación, profundidad)

COSTOS

El costo de los estudios geológico-geotécnicos depende de la cantidad y tipo de trabajo a realizar: Número de ubicaciones alternativas a considerar. Grado de conocimiento del área en estudio. Tipo y tamaño de la obra/estructura. Complejidad geológica del sitio. Detalle a conseguir
Corresponden a un porcentaje muy bajo de los costes totales: 1 a 2% del costo total de construcción. 10 a 20% del costo del proyecto.

CARACTERIZACIÓN GEOLÓGICA Y GEOTÉCNICA DEL TERRENO METODOLOGÍA

Especificaciones

Documento de un proyecto que enumera y describe las obligaciones y condiciones de las partes técnicas para el diseño y ejecución de una obra.
Útil para estandarizar la conducta en todas las entidades involucradas (proyectistas, constructores y supervisión del trabajo.