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Proceso de Investigación
Las investigaciones necesarias para definir un proyecto vial dependen de la naturaleza y envergadura del proyecto. Dependiendo de la geometría de la vía a diseñar y las formaciones encontradas, además de las investigaciones básicas en la fundación del trazado, podría ser necesario realizar evaluaciones adicionales de estabilidad de taludes, estabilidad para estructuras de contención, de capacidad de soporte para estructuras como pasos a desnivel, puentes y/o alcantarillas, o de integridad de materiales, en caso de encontrar zonas rocosas que influyan el proyecto.
De la variedad de situaciones a investigar dependerá la cantidad y los tipos de muestras a tomar para las subsecuentes evaluaciones.
Tipos de Muestras
Al definir las investigaciones necesarias para caracterizar correctamente la fundación del proyecto vial, son definidos también los tipos de muestras que deberán tomarse para los ensayos de laboratorio:
- Calicatas (muestras alteradas de estratos diferenciados)
- Sondeos (pueden obtenerse muestras alteradas e inalteradas, dependiendo de las necesidades)
- Extracción de núcleos (muestras de roca, así como de concreto o asfalto existente)
Profundidad y Frecuencia de Muestreo
La frecuencia de los muestreos dependerá de la variación encontrada en la zona de trabajo y puede oscilar entre sondeos manuales (calicatas) cada 250 m en las zonas uniformes y sondeos cada 50 m en las zonas erráticas.
En casos especiales, como alcantarillas importantes, puentes, pasos a desnivel, estructuras de contención y taludes en roca podría ser necesaria la realización de otros ensayos adicionales, como perforaciones a máquina, SPT, extracción de núcleos.
Las exploraciones a lo largo del recorrido del proyecto deberán alcanzar cierta profundidad según la situación encontrada en el proyecto:
- En zonas de corte, la profundidad de exploración mínima es de 1.50 m por debajo de la subrasante del proyecto.
- En zonas de rellenos, la profundidad de exploración es de 2.00 m por debajo del terreno natural.
- En zonas problemáticas (turbas, suelos blandos, lodo, etc.) la profundidad será dictada por la situación específica encontrada.
- Si en las exploraciones se alcanza algún estrato rocoso, la profundidad se puede reducir, siempre que se pueda garantizar la continuidad de los estratos rocosos.
Consideraciones Especiales
En caso de encontrar situaciones especiales, existen investigaciones y ensayos que deben realizarse para determinar la información necesaria para el diseño de las soluciones resultantes.
- Cortes mayores a 5 m:
En estos casos debe investigarse la naturaleza y las propiedades mecánicas de los suelos con diaclasas rellenas de arcillas y la susceptibilidad de los materiales descubiertos a los cambios de humedad.
Estas investigaciones serán posibles al realizar sondeos a máquina con extracción de muestras alteradas e inalteradas, con el fin de determinar absorción, peso específico, compresión simple y/o corte directo.
- Suelos expansivos:
Este es un caso muy delicado, ya que los suelos expansivos, con los cambios de volumen que pueden experimentar, son capaces de provocar falla prematura de cualquier estructura de pavimento, aún haya sido correctamente dimensionada según la capacidad de soporte del suelo en cuestión, si no se le da el tratamiento especial a la condición de expansividad no hay garantías.
Lo primero que debe lograrse es identificar el nivel de expansividad del material de fundación, para lo cual son útiles algunos ensayos/cálculos:
- Potencial de expansión de suelos (ASTM D4829)
- Límite líquido (ASTM D4038)
- Límite plástico (ASTM D4318)
- Límite de contracción (ASTM D427)
- Contenido de arcilla (ASTM D422)
- Hinchamiento unidireccional (del Ensayo de CBR) (ASTM D-1883)
Habiendo determinado el potencial de expansión del suelo de fundación, el siguiente paso sería evaluar la solución más adecuada para enfrentar la situación encontrada, dependiendo de las necesidades, pudiera implementarse una o combinación de algunas de estas opciones:
- Sustitución de estrato expansivo.
- Aislamiento de estrato expansivo.
- Pre-saturación de suelo expansivo.
- Manejo de la infiltración.
- Estabilización del estrato expansivo.
- Refuerzo con geo-sintéticos.
- Muros y estructuras de contención:
Para estos casos, primero debe investigarse las condiciones de la fundación, creando un perfil del subsuelo (estratigrafía) donde se defina características físicas y mecánicas, espesor y profundidad de los diferentes estratos.
También definir las características de los materiales a usarse como relleno dentro del sistema de contención.
Finalmente debe evaluarse, con la información recopilada, las condiciones de estabilidad del sistema, haciendo un análisis de estabilidad teniendo en cuenta las cargas muertas, vivas y sísmicas.
- Pasos a desnivel, puentes y alcantarillas
La integración de estas estructuras en proyectos viales requiere de estudios adicionales, estas estructuras someten los materiales de fundación a esfuerzos extraordinarios que pueden requerir de tratamientos especiales, por lo que se realizan investigaciones (según condiciones y necesidades) como las siguientes:
- Sondeos profundos.
- Ensayo de penetración standard (SPT).
- Ensayo de penetración de cono (CPT).
- Estudios geofísicos
- Toma de muestras (alteradas o inalteradas).
- Extracción de núcleos de roca.
Ensayos de Laboratorio
- Ensayos de Caracterización, que evalúan las propiedades descriptivas de la naturaleza y condiciones del material que son relevantes para su uso en proyectos de construcción e incluyen:
- Análisis granulométrico.
- Límites de plasticidad.
- Contenido de materia orgánica.
- Contenido de humedad.
- Gravedad específica.
- Peso específico suelto
- Ensayos Mecánicos, que evalúan las propiedades mecánicas de los materiales:
- Ensayo de compactación.
- Valor relativo de soporte (CBR).
- Compresión simple.
- Corte directo.
- Compresión triaxial.
Ensayos y Evaluaciones en Campo
Relevamiento de fallas: que consiste en el levantamiento, identificación y clasificación de las fallas producidas en un pavimento existente y en uso, a razón de determinar el tratamiento a aplicar, en caso de necesitarse una reconstrucción o una rehabilitación de un proyecto vial existente, incluye el marcado de las fallas, localización relativa al proyecto y la evaluación del tipo de falla y la influencia de esta, tanto en área como en profundidad.
Ensayos de densidad: que determinan el peso específico y el contenido de humedad de un estrato de un terraplén o pavimento, y así calcular el grado de compactación y estimar, en comparación con otros ensayos de laboratorio (CBR, por ejemplo), la capacidad actual de soporte en sitio del estrato evaluado. (ASTM D1556, Cono de arena; ASTM D6938, Método nuclear)
Deflectometría: que ayudan a estimar ciertas propiedades mecánicas (capacidad de soporte y nivel de deformación) con el uso de un sistema de caída libre de peso predeterminado y la medición de las deflexiones producidas por el impacto; son utilizados más frecuentemente los deflectómetros:
- FWD (Falling Weight Deflectometer): para pavimentos en vías de alta demanda y aeropuertos.
- LWD (Light Weight Deflectometer): para pavimentos en vías de media o baja demanda.
Viga Benkelman: que, con la ayuda de una carga estática (eje sencillo de 18,000 lbs) predeterminada y la medición de la deflexión producida por esta, de manera semejante a la deflectometría, puede estimarse también propiedades mecánicas in situ del estrato evaluado. (ASTM D4695)
Ensayo de Placa Dinámica: con la transmisión de una combinación de cargas determinadas a un punto en la superficie de un estrato y la medición de la deformación producida por la carga, se puede estimar la capacidad de soporte in situ del estrato evaluado y el nivel de compactación en materiales donde no resultan factibles métodos de medición de densidad in situ como el densímetro nuclear y/o el cono de arena.
Ensayos de Penetración: estos ensayos se valen de la caída libre repetitiva de una masa predeterminada sobre un punto en el suelo a evaluar, comparando la cantidad de impactos con la profundidad de penetración producida en el suelo puede correlacionarse con la capacidad de soporte del suelo evaluado, permitiendo también la generación de una estratigrafía, representando la variación de las propiedades mecánicas del suelo respecto a la profundidad de la investigación; dependiendo de las condiciones del suelo a evaluar y de la profundidad de la evaluación, pueden ser utilizados estos métodos:
- CPT (Cone Penetration Test): que tiene como punta de penetración un cono de dimensiones específicas, normalmente utilizado en la evaluación de suelos blandos y para ensayos de mediana profundidad, aunque a través del tiempo se ha ido modificando de manera que pueda expandir sus capacidades. (ASTM D3441)
- SPT (Standard Penetration Test): que tiene como punta de penetración un toma-muestras cilíndrico de dimensiones específicas, se utiliza en la evaluación de mayor variedad de suelos y puede utilizarse para evaluar mayores profundidades, tiene una desventaja, las muestras tomadas se deterioran por el método dinámico y es virtualmente imposible obtener muestras inalteradas de suelos granulares, aunque en suelos más cohesivos pueden utilizarse toma-muestras que permite la extracción de muestras relativamente inalteradas . (ASTM D1586)
Ensayos geofísicos: estos son ensayos no destructivos que evalúa la propagación de varios tipos de ondas a través del estrato de suelo a evaluar, y con la lectura de estas ondas pueden correlacionarse ciertas propiedades del suelo evaluado; dentro de estos ensayos se pueden identificar varios métodos:
- Sísmicos: Refracción sísmica, MASW, ReMi.
- Eléctricos: Tomografía eléctrica (ERT), Sondeos eléctricos verticales (SEV).
- Electromagnéticos: Magnetotelúrica (MT), Magnetometría.
Control de Calidad
Sin importar los estudios, investigaciones, ensayos y cálculos que se realicen, no tienen sentido si en la etapa de construcción no se establece un sistema de control para asegurar que los proyectos sean construidos según fueron diseñados.
Para monitorear las características físicas y mecánicas de los materiales utilizados y las estructuras construidas, son utilizadas (según el caso) combinaciones de los ensayos mencionados en los capítulos anteriores.
Para cada obra, según la envergadura y los volúmenes de materiales empleados, se definirá una programación que establecerá los ensayos a realizar y la frecuencia en la que deben efectuarse.