Investigación geotécnica

Las investigaciones geotécnicas son realizadas por ingenieros geotécnicos o geólogos ingenieros para obtener información sobre las propiedades físicas del suelo, los movimientos de tierra y las cimentaciones de las estructuras propuestas, así como para la reparación de los daños causados ​​por las condiciones del subsuelo. Este tipo de investigación se denomina estudio de emplazamiento. Las investigaciones geotécnicas también se utilizan para medir la resistencia térmica de los suelos o los materiales de relleno necesarios para líneas de transmisión subterráneas, oleoductos y gasoductos, eliminación de residuos radiactivos e instalaciones de almacenamiento de energía solar térmica. Una investigación geotécnica incluye la exploración superficial y subsuperficial del emplazamiento. En ocasiones, se utilizan métodos geofísicos para obtener datos sobre los emplazamientos. La exploración subsuperficial suele implicar la toma de muestras de suelo y el análisis en laboratorio de las muestras extraídas.

Los estudios geotécnicos son muy importantes antes de que se pueda construir cualquier estructura, desde una vivienda unifamiliar hasta un gran almacén, un edificio de varias plantas y proyectos de infraestructura como puentes, trenes de alta velocidad y metros .

La exploración superficial puede incluir cartografía geológica , métodos geofísicos y fotogrametría , o puede ser tan simple como que un profesional geotécnico recorra el sitio para observar las condiciones físicas. Para obtener información sobre las condiciones del suelo bajo la superficie, se requiere algún tipo de exploración del subsuelo. Los métodos para observar los suelos bajo la superficie, obtener muestras y determinar las propiedades físicas de los suelos y las rocas incluyen pozos de prueba, excavaciones (particularmente para localizar fallas y planos de deslizamiento ), perforaciones y ensayos in situ . Estos también pueden utilizarse para identificar la contaminación en los suelos antes del desarrollo con el fin de evitar impactos ambientales negativos. ^{[ 1 ]}

Las perforaciones se presentan en dos variedades principales: de gran diámetro y de pequeño diámetro. Las perforaciones de gran diámetro se utilizan con poca frecuencia debido a problemas de seguridad y a su elevado coste, pero a veces se emplean para permitir que un geólogo o un ingeniero examine visual y manualmente la estratigrafía del suelo y la roca in situ. Las perforaciones de pequeño diámetro se utilizan frecuentemente para permitir que un geólogo o un ingeniero examine los cortes de suelo o roca, o para obtener muestras a profundidad mediante muestreadores de suelo, y para realizar ensayos de suelo in situ. Las recomendaciones sobre el espaciamiento y la profundidad de las investigaciones se presentan en el anexo B.3 del Eurocódigo 7 - Diseño geotécnico - Parte 2. ^{[ 2 ]}

Las muestras de suelo suelen clasificarse como alteradas o inalteradas ; sin embargo, las muestras "inalteradas" no lo son realmente. Una muestra alterada es aquella cuya estructura se ha modificado lo suficiente como para que las pruebas de sus propiedades estructurales no sean representativas de las condiciones in situ, y solo se puedan determinar con precisión las propiedades de los granos (por ejemplo, la distribución del tamaño de grano , los límites de Atterberg , la compactación característica del suelo, la litología general de los depósitos y, posiblemente, el contenido de agua). Una muestra inalterada es aquella cuyas condiciones son lo suficientemente similares a las del suelo in situ como para que las pruebas de sus propiedades estructurales puedan utilizarse para aproximar dichas propiedades. Las muestras obtenidas mediante el método de muestras inalteradas se utilizan para determinar la estratificación , la permeabilidad , la densidad, la consolidación y otras características geotécnicas del suelo.

La recolección de muestras de suelo en alta mar introduce muchas variables difíciles. En aguas poco profundas, el trabajo se puede realizar desde una barcaza. En aguas más profundas se requerirá un barco. Los muestreadores de suelo para aguas profundas suelen ser variantes de los muestreadores tipo Kullenberg, una modificación de un muestreador de gravedad básico que utiliza un pistón. ^{[ 3 ]} También existen muestreadores de lecho marino, que empujan el tubo de recolección lentamente hacia el suelo.

• Un ensayo de penetración estándar es un ensayo de penetración dinámico in situ diseñado para proporcionar información sobre las propiedades del suelo, al tiempo que se recoge una muestra de suelo alterado para el análisis del tamaño de grano y la clasificación del suelo.
• El ensayo de penetración dinámica con cono es una prueba in situ en la que se levanta manualmente un peso y se deja caer sobre un cono que penetra en el suelo. Se registra la cantidad de milímetros por impacto, lo que se utiliza para estimar ciertas propiedades del suelo. Este es un método de ensayo sencillo que generalmente requiere datos de laboratorio para obtener una buena correlación.
• La prueba de penetración de cono (CPT) se realiza utilizando una sonda instrumentada con punta cónica, que se introduce en el suelo hidráulicamente a una velocidad constante. Un instrumento CPT básico registra la resistencia de la punta y la resistencia al corte a lo largo del cilindro. Los datos de la CPT se han correlacionado con las propiedades del suelo. En ocasiones, se utilizan otros instrumentos además de la sonda CPT básica, como:
• La sonda penetrómetro piezocónica se avanza utilizando el mismo equipo que una sonda CPT convencional, pero cuenta con un instrumento adicional que mide la presión del agua subterránea a medida que se avanza.
• Una sonda penetrómetro piezocónica sísmica se fabrica utilizando el mismo equipo que una sonda CPT o CPTu, pero además está equipada con geófonos o acelerómetros para detectar ondas de cizallamiento y/o ondas de presión producidas por una fuente en la superficie.
• Las sondas de penetración de flujo completo (de barra en T, bola y placa) se utilizan en suelos arcillosos extremadamente blandos (como los depósitos del fondo marino) y se introducen de la misma manera que el CPT. Como su nombre indica, la barra en T es una barra cilíndrica fijada perpendicularmente a la sarta de perforación, formando una especie de T; la bola es una esfera grande; y la placa es una placa circular plana. En arcillas blandas, el suelo fluye alrededor de la sonda como un fluido viscoso. La presión debida a la sobrecarga y a la presión del agua intersticial es igual en todos los lados de las sondas (a diferencia del CPT), por lo que no se requiere corrección, lo que reduce una fuente de error y aumenta la precisión. Esto resulta especialmente útil en suelos blandos debido a las cargas muy bajas sobre los sensores de medición. Las sondas de flujo completo también se pueden utilizar para medir la resistencia del suelo remoldeado. En última instancia, el profesional geotécnico puede utilizar la resistencia a la penetración medida para estimar las resistencias al corte no drenadas y remoldeadas.
• La exploración y compactación del suelo mediante la prueba de sonda helicoidal (HPT) se ha popularizado por proporcionar un método rápido y preciso para determinar las propiedades del suelo a profundidades relativamente bajas. La prueba HPT resulta atractiva para las inspecciones de cimentaciones in situ debido a su ligereza y a que puede ser realizada rápidamente por una sola persona. Durante la prueba, la sonda se introduce hasta la profundidad deseada y el par de torsión necesario para girarla se utiliza como medida para determinar las características del suelo. Las pruebas preliminares de la ASTM han determinado que el método HPT se correlaciona bien con la prueba de penetración estándar (SPT) y la prueba de penetración de cono (CPT) con calibración empírica.
• La tomografía eléctrica se puede utilizar para inspeccionar las propiedades del suelo y las rocas, así como la infraestructura subterránea existente en proyectos de construcción. ^{[ 6 ]}

Además de los ensayos tradicionales in situ, como el ensayo de penetración estándar y el ensayo de penetración de cono, se han desarrollado métodos de evaluación de campo no destructivos para evaluar el comportamiento dinámico del suelo bajo condiciones de carga relevantes para el desempeño de la infraestructura. El ensayo con deflectómetro ligero (LWD), por ejemplo, permite una evaluación rápida de la rigidez y la deformación de los materiales cercanos a la superficie sin alterar la estructura del suelo. Los estudios han demostrado que las mediciones de LWD pueden correlacionarse con los valores del módulo resiliente obtenidos de ensayos cíclicos, proporcionando estimaciones in situ útiles de la rigidez del suelo para fines de diseño y evaluación. ^{[ 7 ]} Las mediciones repetidas de LWD también se han utilizado para modelar el comportamiento de deformación permanente de los geomateriales bajo cargas cíclicas, mejorando la predicción de las respuestas del suelo bajo aplicaciones repetidas de tráfico o carga y vinculando los datos de los ensayos de campo con los parámetros de diseño mecanicistas. ^{[ 8 ]}

El ensayo de dilatómetro de placa plana (DMT) utiliza una sonda de placa plana que se introduce con frecuencia mediante equipos CPT, aunque también puede introducirse con equipos de perforación convencionales. Un diafragma en la placa aplica una fuerza lateral al material del suelo y mide la deformación inducida para distintos niveles de tensión aplicada en el intervalo de profundidad deseado.

Se pueden realizar pruebas de gas in situ en los pozos perforados una vez finalizados y en los orificios de sondeo realizados en los laterales de las calicatas como parte de la investigación del terreno. Las pruebas se realizan normalmente con un medidor portátil, que mide el contenido de metano como su porcentaje en volumen en el aire. También se miden las concentraciones correspondientes de oxígeno y dióxido de carbono. Un método más preciso para el monitoreo a largo plazo consiste en la instalación de tuberías verticales de monitoreo de gas en los pozos. Estas tuberías suelen estar formadas por tubos de uPVC ranurados rodeados de grava de tamaño uniforme. Los 0,5  a 1,0  m superiores de la tubería generalmente no tienen ranuras y están rodeados de gránulos de bentonita para sellar el pozo. Se instalan válvulas y las instalaciones se protegen con tapas de llave de paso con cerradura, normalmente a ras del suelo. El monitoreo también se realiza con un medidor portátil y suele hacerse quincenal o mensualmente.

Se pueden realizar diversas pruebas de laboratorio en suelos para medir una amplia gama de propiedades. Algunas propiedades son intrínsecas a la composición de la matriz del suelo y no se ven afectadas por la alteración de la muestra, mientras que otras dependen tanto de la estructura como de la composición del suelo, y solo pueden evaluarse eficazmente en muestras relativamente inalteradas. Algunas pruebas miden propiedades directas del suelo, mientras que otras miden "propiedades índice", que proporcionan información útil sobre el suelo sin medir directamente la propiedad deseada.

Los métodos geofísicos se utilizan en investigaciones geotécnicas para evaluar el comportamiento de un sitio ante un evento sísmico . Al medir la velocidad de la onda de corte del suelo , se puede estimar su respuesta dinámica. ^{[ 19 ]} Existen varios métodos para determinar la velocidad de la onda de corte de un sitio:

• Método de agujeros cruzados
• Método de fondo de pozo (con un CPT sísmico o un dispositivo sustituto)
• Reflexión o refracción de ondas superficiales
• Registro de suspensión (también conocido como registro PS o registro Oyo)
• Análisis espectral de ondas superficiales (SASW)
• Análisis multicanal de ondas superficiales (MASW)
• Microtemblor de refracción (ReMi)

Otros métodos:

• Electromagnético (radar, resistividad)
• Encuesta sobre visores ópticos/acústicos
• Análisis de ondas superficiales
• Procesamiento y modelado sísmico
• Soluciones innovadoras para los desafíos de la inspección de pavimentos, puentes y hormigón.
• Localizar conductos, cables de postensado y barras de refuerzo/mallas de alambre de refuerzo, detectar cables conductores de corriente.
• Detección y mapeo de servicios públicos metálicos o plásticos, conductos y cavidades, tuberías de gas y cables eléctricos.
• Investigación del nivel freático

• Ingeniería geotécnica
• Geología de la ingeniería
• Geotecnia
• Sistema de contrapesos de tornillo Nippon
• Mecánica de suelos
• Análisis de suelo

• Vídeo de la UC Davis sobre los métodos típicos de perforación y muestreo en ingeniería geotécnica.