Muestreo de suelos

MUESTREO EN SUELOS




1. INTRODUCCION

Cuando se envían muestras de suelo a un laboratorio se esperan diversos resultados analíticos para tomar decisiones respecto al manejo del suelo. Sin embargo, tales resultados del laboratorio son útiles y contribuyen a decisiones acertadas sólo si reflejan las condiciones que representan adecuadamente a la superficie de suelo que se quiere manejar. En el proceso de obtención de información relacionada con el suelo puede haber muchas fuentes de error. Por lo tanto, la representatividad y calidad de la muestra es decisiva para lograr la información adecuada. Un buen proceso de muestreo permite obtener información confiable. En cambio, un muestreo inadecuado para de suelos, puede conducir a interpretaciones y decisiones equivocadas.



2. OBJETIVOS

* Conocer los diferentes métodos de muestreo de suelos. Y saber como y cuando aplicarlos.

* Conocer y diferenciar los diferentes instrumentos que se usan en el muestreo de los suelos.

* Reconocer la importancia que tiene el hacer un buen estudio de los suelos ya que es de mucha importancia en la Ingeniería Civil.

3. MUESTREO

Los procedimientos de muestreo son las técnicas que se aplican para obtener especímenes alterados o inalterados a diferentes profundidades del subsuelo en el que posteriormente se realizan pruebas de laboratorio para conocer sus propiedades índice y mecánicas.

* TIPOS DE MUESTRAS

De acuerdo con el Manual de diseños de obras civiles, las muestras pueden ser alteradas o 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 especímenes 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. PROCEDIMIENTO DE MUESTREO



* Despejar una superficie horizontal (o paralela a la superficie del suelo) de suelo de lo suficientemente amplia como para que quepan las taras dejando un espacio entre ellos de unos 3-5 cm (aproximadamente 20 cm x 40 cm). Esta superficie debe estar 2-3 cm por sobre el nivel superior de muestreo.

* Enterrar las taras, enterrándolos con un combo de plástico o goma dura, hasta la profundidad deseada (2-3 cm bajo la superficie superior).

* Extraer las taras evitando que pierdan material de su interior y enrasarlos para obtener el volumen correspondiente, sin alterar su estructura natural. Tapar los cilindros y empacarlos adecuadamente para su transporte.

* Para determinar densidad aparente (pero no la distribución de poros), puede procederse de la siguiente forma: Una vez obtenido cada tara de un estrato, se vacía su contenido íntegramente (sin perder nada) en una bolsa de plástico resistente. De esta manera la muestra estará formada por el suelo equivalente a un volumen total determinado por el número y tamaño de las taras (por ejemplo, 3 taras de 100 cm 3 forman una sola muestra de 300 cm 3).

* No mezclar taras (o su contenido) de distintos estratos de profundidad.

* Repetir el procedimiento en cada profundidad de muestreo.

4. MUESTREO EN SUELOS

A. Métodos de perforación con muestreo alterado o destructivo:

* Métodos manuales y mecánicos:

Las muestras obtenidas por medio de estos métodos son alteradas, pero son representativas del suelo en lo referente al contenido del agua, por lo menos en suelos muy plásticos.

Las herramientas más utilizadas son la pala posteadora, los barrenos helicoidales.

* Pala posteadora.

Son muy usadas en México. Esta se hace penetrar en el terreno al ejercer un giro sobre la manija superior, adaptada al extremo superior de la tubería de perforación.



* Barrenos helicoidales.

Depende del tipo de suelo a penetrar y son accionados por motor o manualmente; son utilizables solamente por arriba del nivel freático y donde no haya arcilla blanda o gravas gruesas que entorpezcan su avance.

Un actor importante es el paso de la hélice que debe ser muy cerrado para suelos arenosos y mucho mas abierto para el muestreo de suelos plásticos.



* Método de lavado.

Consiste en perforar con una columna de tubos que lleva en la parte inferior un trepano en forma de punta, cola de pescado cincel o cruz, con orificios que permiten la salida del fluido de perforación (ver la siguiente figura)



La acción combinada de percusión y de chiflón permite cortar el material, que es llevado a la superficie por el fluido de perforación, el cual puede ser agua o lodo. El equipo que se re requiere se muestra gráficamente en la figura siguiente.

Este procedimiento de muestreo es utilizable en arenas no muy cementadas con pocas y pequeñas gravas y en suelos cohesivos abajo del nivel freático. En suelos inestables se puede utilizar ademe metálico o lodo para mantener las paredes de perforación.

Es de los métodos mas utilizados en la exploración de suelos, ya que el equipo empleado es ligero y puede transportarse a sitios de difícil acceso. “Es el procedimiento mas rápido y económico para conocer aproximadamente la estratigrafía del suelo. Se usa también para avanzar con mayor rapidez en otros métodos de perforación.

Asimismo se aplica en aquellos sitios localizados en el litoral que van a ser de dragado o bien de hincado de pilotes.



* Perforación estándar (dinámica)

Este método consiste en hincar en el terreno un penetrómetro o muestreador por medio de percusión, obteniendo así muestras alteradas representativas del suelo, se utiliza principalmente en arenas y en suelos limoarenosos.

La prueba consiste en introducir en el terreno por medio de golpes un penetrometro colocado en el extremo de la tubería de perforación. Los golpes son proporcionados por un martinete de 64 kg.

Es conveniente realizar esta prueba en cada estrato importante.

La utilidad e importancia de este método radica en las correlaciones encontradas en el campo y en laboratorio en diversos suelos.

* Barrena tricónica.

Consiste en perforar mediante una columna de tubos en cuya parte inferior lleva una broca tricónica o una broca drag. Para enfriar la broca y arrastrar el material cortado a la superficie se inyecta agua o lodo.

El método de rotación con agua o lodo es aplicable es casi todos los terrenos; en suelos granulares se utilizan lodos densos o ademes metálicos para estabilizar las paredes de la perforación.



* 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 comúnmente 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.



B. Métodos de perforación con muestra inalterada:

Debe tenerse en cuenta que de ningún modo y bajo ninguna circunstancia puede obtenerse una muestra de suelo que pueda ser rigurosamente considerada como inalterada.

Por lo anterior cuando se hable de muestras inalteradas, se debe entender en realidad como un tipo de muestra obtenida por cierto procedimiento que trata de hacer mínimos los cambios en las condiciones de la muestra in situ, sin interpretar la palabra en sentido literal.



* Tubo de pared delgada (Shelby)

De manera general consiste en un muestreador que se tornilla ala parte interior de la tubería de perforación. El muestreador es un tubo de acero o latón de diámetro exterior variable entre 1.5 a 10cm de espesor máximo de 1.5mm y longitud entre 80cm y 1m. Es común cortarlo longitudinalmente al extraer la muestra cuidando la fricción lateral.

Este tipo de muestreador se utiliza principalmente en suelos cohesivos y blandos o semiduros, sin importar que se localicen encima o debajo del nivel freático.

* Muestreador de Denison

Como se indica en la figura el muestreador consiste en dos tubos concéntricos. En el interior que se hinca a presión se rescata la muestra de suelo; mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo gira y corta el suelo que lo rodea. Para operar este muestreador se hace circular fluido de perforación entre dichos tubos.

Este muestreador se emplea preferentemente en arcillas duras, limos compactos y arenas algo cohesivas en donde otros muestreadores no pueden penetrar.

* Muestreador Pitcher

Es similar al Denison, excepto porque la posición del tubo interior se regula con un resorte axial; mientras que el exterior, con la broca de corte en su extremo, gira y corta el suelo alrededor (véase la figura).Su operación requiere también de fluido de perforación.

De gran utilidad en suelos de diferentes durezas y espesores, pues en suelos blandos funciona como un tubo Shelby y en suelo duros como un muestreador Denison con lo9 que logra buena calidad de muestras.



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.

5. ANALISIS DE LA MUESTRA EN EL LABORATORIO

Consiste en varios apartados:

* Clasificación:

Las muestras, que deben encontrarse en sus bolsas correspondientes, se trasvasan a unas bandejas y se disponen para el secado

* Secado:

Debe ponerse una fina capa de la muestra, unos 2 cm, para facilitar la evaporación de la humedad de la muestra.

Puede ser:

Al aire libre: puede tardar varias semanas para equilibrar la humedad de la muestra con la del aire libre.

En armario secador: trabajamos con una temperatura de 30 º C tarda unos 3 ó 4 días. Los días se acortan cuando el armario trabaja por convección (corriente de aire que facilita ala evaporación).

El punto exacto de secado varía según el tipo de muestra, una forma práctica de conocerlo es desgranando a mano algún agregado (terrón). En suelos más arcillosos si el tiempo de secado excede al necesario de formaran terrones muy consistentes.

* Desgranado:

Al sacar las muestras del armario las desgranamos o trituramos, entendiendo por triturado la operación de deshacer todos los agregados. Esta operación puede hacerse de forma mecánica con unos molinos especiales o de forma manual con rodillos, que pueden ser metálicos, de caucho, madera...

* Tamizado:

Tamizamos la muestra ya desgranada mediante un tamiz metálico que tiene una luz de 2 mm de diámetro, separando loa elementos gruesos de la tierra fina.

Una vez separado hemos de pesar 5 ó 10 g de tierra fina y pulverizarla, esto se realiza con un molinillo especial o incluso con un mortero, esta operación tiene como finalidad tener una cantidad de suelo muy homogénea ya que para algunas determinaciones posteriores se necesitan muestras muy pequeñas que han de ser representativas del resto de la muestra.

Los elementos gruesos hemos de pesarlos y después realizar un examen mineralógico y después podremos despreciarlos.

La tierra pulverizada ha de ponerse en pequeños frascos para mantenerla seca y la tamizada en bandejas.

La finalidad de la práctica es determinar el peso de elementos gruesos, el de tierra fina y el total, y con ellos hallaremos el % de elementos gruesos respecto del peso de tierra fina y respecto del peso total.