La determinación de algunas propiedades de los suelos en laboratorio puede dar lugar a algunas alteraciones que hagan poco fiables los resultados. Es por ello que siempre que se pueda se realicen los ensayos in situ. Dentro de los inconvenientes de los ensayos realizados en laboratorio están:

• El daño producido en el terreno durante el proceso de muestreo.

• En muchos casos las muestras no son representativas de una gran masa de terreno. Tal sucede en los casos en los que abundan las piedras debido a la pequeñez inevitable de las muestras y a la dificultad de la toma en las zonas en las que abundan dichas piedras.

• La anulación de las tensiones totales, ocasionada por la toma de muestras y su posterior manejo, puede modificar el comportamiento de materiales esencialmente no elásticos.

• La dificultad de reproducir en el laboratorio los complejos cambios de tensiones que ocurren in situ.

Dentro de los ensayos realizados in situ destacan:

Este procedimiento es especialmente adecuado cuando se trata de determinar la resistencia sin drenaje de arcillas susceptibles, especialmente a grandes profundidades, que es donde la toma de muestras produce mayores alteraciones.

Consiste en introducir en el terreno un instrumento formado por un molinete con cuatro aspas. Las barras van dentro de un revestimiento y el molinete protegido por una funda. Al llegar a la profundidad deseada se empujan hacia abajo las barras y el molinete, mientras la funda se queda fija. Entonces se procede a romper el terreno girando el varillaje.

El momento de torsión se mide en superficie. La resistencia al corte del suelo viene dada por la fórmula:

Donde:

Mt = Momento torsor de rotura.

D = Diámetro del molinete.

H = Altura de las aspas.

Los ensayos de placa de carga permiten determinar las características de deformación, y a veces las de resistencia de un terreno, y con ello, el grado de cohesión.

Consisten en colocar una placa sobre el terreno, aplicar una serie de cargas, y medir las deformaciones. El resultado del ensayo se representa en un diagrama de tensión deformación.

El ensayo se inicia alisando el terreno sobre el que se va a colocar una placa de 30 x 30 cm. Sobre la placa se coloca una columna de carga, encargada de transmitir la carga a aplicar con la ayuda de un gato hidráulico. Sobre la columna de carga se sitúa la plataforma de reacción, encargada de aplicar la carga que transmite el gato hidráulico. Sobre la placa, anclados lejos del terreno a ensayar, se colocan los micrómetros encargados de medir la deformación del terreno.

Las cargas se aplican en series de varios escalones:

• Primera serie de carga: 0.25, 0.5, 0.75.

• Primera serie de descarga hasta 0.5.

• Segunda serie de descarga hasta 0.

• Segunda serie de carga: 0, 1, 1.5, 2, 2.5, 3.

• Tercera serie de descarga.

Los escalones de carga y descarga se hacen en función de pa, que es la presión del terreno. La gráfica resultante del ensayo es tal que:

Mediante la gráfica se puede determinar tanto el módulo de deformación en el proceso de carga como en el de descarga, así como la resistencia y el grado de cohesión del suelo:

Se puede observar que el suelo es mucho más rígido en carga que en descarga.

Este tipo de ensayo no es muy propio de suelos blandos. Sin embargo sí es muy recomendable en suelos arcillosos, ya que la información que aporta es muy importante.

Los ensayos in situ más usuales son los de penetración. Esto se debe, sin duda alguna, a su sencillez y a su bajo coste, ya que su interpretación es difícil.

Los ensayos de penetración pueden ser dinámicos, consistentes en hincar mediante golpes una varilla o tubo, y los llamados estáticos, que consisten en medir la resistencia a la penetración de una varilla. En estos últimos, la hinca se hace lentamente para que los efectos dinámicos resulten inapreciables.

Los ensayos de penetración dinámicos pueden ser:

• Discontinuos - SPT (UNE 103 - 800).

• Continuos - penetraciones.

Los ensayos de penetración estáticos pueden ser:

• Ensayo de cono holandés.

• Piezocono.

Los ensayos de penetración dinámicos son mucho más manejables, baratos y rápidos.

Para efectuar este ensayo es preciso avanzar con un sondeo normal. Al llegar al punto que se desea ensayar, se limpia perfectamente el fondo y se introduce una cuchara normalizada hasta el fondo. Se hinca la cuchara mediante el golpeo de una maza de 63.5 kg que se deja caer desde una altura de 760 mm. No se cuenta el número de golpes necesarios para introducirla los primeros 15 cm, ya que se supone que el terreno en el fondo del sondeo puede estar alterado. Se cuentan, sin embargo, el número de golpes necesarios para introducirla los 30 cm siguientes. Este es el número de penetración estándar, N.

Dentro de la cuchara, se recupera una pequeña muestra, que debe considerarse como remoldeada, ya que el espesor de las paredes del tubo es muy grande con relación a su diámetro interior. Sin embargo, permite conocer su composición granulométrica y, en el caso de terrenos coherentes, su humedad, datos que son muy importantes para la interpretación de resultados.

En el caso que durante el proceso de hinca se supere en algún momento los 50 golpes sin alcanzar la profundidad deseada, se ha de parar el ensayo para evitar la rotura del tomamuestras. En este momento se dice que se ha producido el rechazo.

El diámetro interior del sondeo ha de estar comprendido entre los 60 y los 150 mm.

Las arenas se pueden clasificar por su compactación en base al número de golpes en el tramo central:

Así mismo, en el caso de las arcillas la relación entre el número de golpes y su resistencia a compresión simple es tal que:

El ensayo de penetración consiste en golpear el terreno con una barra que tiene la cabeza adaptada al tipo de penetrómetro. La barra se golpea con una maza W desde una altura H. Se mide el número de golpes hasta alcanzar los 30 cm.

Dentro de este tipo de ensayos el más extendido en España, junto al SPT, es el ensayo de penetración Borros, de origen sueco. En el ensayo Borros, la pesa de 63.5 kg se deja caer desde una altura de 60 cm sobre una barra maciza de 32 mm de diámetro que lleva en su extremo una punta. Se cuenta el número de golpes necesario para hacer avanzar dicha punta 20 cm y este número recibe el nombre de número de penetración Borros, NB. Se obtiene con ello una medida casi continua de la consistencia del terreno, pudiendo distinguirse claramente las diferentes capas del terreno.

La norma española adopta como ensayo normalizado la Prueba de Carga Superpesada (UNE 103 - 801), que se diferencia del ensayo Borros en que la altura de caída es de 760 mm y la superficie de la punta es de 20 cm2. La pesa sí es de 63.5 kg.

Los ensayos de penetración son mejores en suelos granulares que en suelos coherentes.

Es el ensayo típico de penetración estática.

Consiste en hincar, mediante gatos mecánicos o hidráulicos, un tubo, en cuyo interior se aloja una varilla, que lleva en la punta un cono. Se mide el esfuerzo necesario para la hinca del conjunto y, de cuando en cuando se aprieta solamente sobre la varilla interior, lo cual da la fuerza necesaria para la hinca del cono, es decir, la resistencia que ofrece el terreno a la punta del aparato. Por diferencia, se obtiene la resistencia por el fuste, que se debe a la adherencia y al rozamiento entre el tubo y el terreno. Los resultados se representan en una gráfica.

La punta tiene un ángulo de 60º y una superficie de 10 cm2. Se distinguen dos partes: la punta y el manguito de fricción. Ambas partes pueden avanzar independientemente. Cuando se desea medir con alguna precisión la resistencia lateral se recurre al manguito de fricción, que permite medir dicha resistencia en un trozo corto y definido, cerca de la punta pero no inmediato a ella, para no ser afectado por el estado de tensiones en las proximidades de la misma, que es peculiar y diferente del resto.

Mediante la relación entre la fricción lateral y la resistencia al cono se puede determinar, mediante una gráfica, el tipo de suelo del que se trata.

La gran difusión de este tipo de ensayos ha hecho buscar algunas correlaciones. La mejor de estas correlaciones liga la resistencia por la punta en terrenos arcillosos blandos saturados y su resistencia a la compresión simple:

qc = 7.5 a 10 qu = 15 a 20 cu

Siendo qc la resistencia por la punta, qu la resistencia a la compresión simple y cu la resistencia al corte en ensayo rápido y tensiones totales.

Así mismo, otra de las correlaciones más extendidas es sobre la relación entre los resultados del penetrómetro y la deformabilidad del suelo, particularmente en las arenas, dada la dificultad que existe en ellas para hallarlo de otra manera:

E = α · qc

Donde el valor de α es distinto según que autores se maneje.

La susceptibilidad de un suelo es la relación entre la resistencia a compresión simple de una muestra inalterada y la resistencia a compresión simple de la muestra amasada:

En suelos susceptibles la hinca de pilotes hace desaparecer la resistencia del terreno, aunque luego se vuelve a regenerar en torno al pilote, aunque nunca vuelve a retomar los valores iniciales.

Este tipo de ensayo es una variedad del ensayo de cono holandés. En la punta se dispone de una piedra porosa para ir midiendo las variaciones de las presiones del agua. Si al llegar a una punto se deja de hincar las presiones intersticiales se disipan.

Los dilatómetros son aparatos que miden la presión necesaria para dilatar un agujero cilíndrico dentro del terreno. Consiste en introducir un tubo revestido por otro de goma dentro de un sondeo. Se hace que se dilate el tubo de goma que a su vez dilata el agujero del sondeo, y con ello que se deforme el suelo.

El punto en el que se produce la rotura del terreno es cuando se alcanza la presión límite, pl, y en ese momento se mide el módulo de deformación, Ep. Conocido pl se puede determinar el valor de cu, y a partir de Ep se puede conocer el valor de E.

Tema 11: ENSAYOS IN SITU

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MECÁNICA DEL SUELO