Técnicas de Reconocimiento del Terreno: Perforaciones, Sondeos y Prospección Geofísica

: PERFORACIONES Y SONDEOS

Los sondeos son un método de reconocimiento del terreno. Se trata de la extracción de una porción pequeña de terreno que adopta la forma geométrica de un cilindro (testigo) en cuya superficie podremos apreciar la disposición de los diversos estratos que componen la zona sondeada o las fracturas internas a las que está sometido.

Las partes de una máquina de sondeos son:

Mordazas
Sustentación y movimientos
Torre de maniobra o brazo
Cabeza de rotación y presión
Sacatestigo

Hay varios procedimientos:

Percusión: un peso va golpeando en el terreno y va haciendo un agujero. Se hacen para abastecimiento de agua y pilotes en terrenos no muy duros.
Percusión + cuchara extractora: muy lento.
Sonda helicoidal: una hélice entra en el terreno y va sacando el material como un sacacorchos en el terreno. Se una para hacer pilotes.
Rotopercusión: una máquina con un martillo neumático a base de aire comprimido y agua golpea con bolas de widia y los detritus salen arrastrados por el agua y el aire comprimido. El martillo puede ser:
- En cabeza: vibra el martillaje.
- De fondo: el martillo se va introduciendo en el sondeo. No se produce tanto desvío.

Hay, básicamente, dos tipos de sondeo:

A base de perforación ciega. Se usa sobre todo para encontrar agua y se deja caer una maza a la vez que gira, haciendo agujeros de gran diámetro.
A rotación con extracción de testigo.

La perforación se puede realizar con varios instrumentos (trialetas usadas en arcillas, triconos…) aunque, en general, se hace con una corona que puede ser:

De widia: para rocas de dureza media. La widia es una aleación de acero con wolframio de dureza 9 en la escala de Mohs.
De diamante industrial (no válido para joyería). Se usan en roca dura. Se miden en ppq (piedras por quilate).

Sondeos de rotación de testigo

Se usan coronas huecas de diamantes o de widia. Encima de la corona se coloca un tubo sacatestigo o testiguero que, al excavar, se va llenando con un cilindro que se va compactando debido a los muelles ubicados en la zona superior. Para obtener finalmente el testigo, se gira el tubo y se saca rompiendo la piedra. Aun así, nunca se recupera el 100% y el porcentaje recuperado será proporcional a las revoluciones que tenga la máquina. Posteriormente, los testigos se guardan en cajas que deben ser de madera. Es importante que no se quede sin agua el sondeo, pues se calentarían los diamantes y podría llegarse a su transformación en grafito. Para sacar el agua de los sondeos se añade bentonita con agua, que hace que el agua salga y podamos sacar el sondeo fácilmente. Para realizar un sondeo, se sujetan las paredes, para poder avanzar. Es importante que se entube el suelo y que, al sacar un testigo, se sebista el sondeo disminuyendo progresivamente el diámetro de revestimiento. Las varillas se van enroscando en machi-hembrado, por lo que es un área de concentración de esfuerzos. A la hora de sacar el testigo se van anotando si hay fracturas en la roca, defectos… Se tiene que hacer en el momento.

Desvíos de sondeos

El sondeo se tiende a desviar de la vertical. En general, se siguen las siguientes reglas:

Si el ángulo de rozamiento de los estratos es menor de 30-40º, el sondeo se desvía para romper verticalmente los estratos.
Si el ángulo de rozamiento de los estratos es mayor de 30-40º, el sondeo se desvía en la dirección del buzamiento del estrato.
Si hay una falla, el sondeo se desvía para seguir el buzamiento de la falla.

En ocasiones, conviene desviar un sondeo. Para ello se utilizan los siguientes métodos:

Se introduce una cuña que hace que se incline la dirección del sondeo a nuestra conveniencia.
Angular: se introduce el sondeo inclinado.
Paralela/pata de perro: Angular rectificada cuando nos interesa.

Ensayo de permeabilidad

Para medir la permeabilidad de un suelo, se utilizan dos ensayos, dependiendo de la dureza del terreno:

En terrenos blandos, se usa el ensayo de Lefranc: Se mete agua en el sondeo y se mide en un tiempo determinado la distancia que ha bajado el agua. Solo se utiliza para suelos.
En terrenos duros se usa el ensayo de Lugeon: Es muy similar, se utiliza para rocas. Se obtura un tramo de sondeo, y se van midiendo presiones para ver si hay fugas de agua o no. En suelos perfectos el diagrama sigue el mismo camino para ida y vuelta.

Anclajes

Son cables con lana en punta que se cementan y se van tensando con una tuerca. Pueden ser verticales o inclinados.

Jet-grouting

Se trata de un tipo de inyección. No ejerce ninguna presión extra en el terreno, pero su bomba interna llega a presiones muy altas (de hasta 900 atm). La máquina de sondeos es capaz de ir inyectando lechadas a una velocidad muy alta (de hasta 2500 m/s) que va cortando el suelo y mezclándolo con cemento, de tal forma que resulta una columna de suelo y cemento. No pueden estar inmediatamente próximas porque podemos correr el riesgo de sacar una parte del cemento que hemos introducido en otra columna. Pasado un día, se puede comenzar a realizar columnas intermedias, y pasado otro día las secantes, para llegar a tener una pantalla. Se perfora con agua, aunque si las paredes no resisten se hace con una lechada clarita de cemento.

Perforación inversa

Se hace desde abajo hacia arriba y se usa, principalmente, en galerías para realizar pozos que conecten con la superficie.

Medida de resistencias

Con el penetrómetro se mide de manera indirecta la resistencia de un suelo. Se introduce hasta que encuentra una capa lo suficientemente dura y no la atraviesa, indicando una profundidad óptima para resistir una carga determinada.

: PROSPECCIÓN GEOFÍSICA

La geofísica es un conjunto de técnicas que estudia, a través de ensayos no destructivos, parámetros físicos, naturales o inducidos del terreno. Tiene correlación con características geológicas y geotécnicas. El proceso es del tipo:

Medición del parámetro
Elaboración del modelo físico-matemático a partir de los datos obtenidos
Interpretación del resultado. No es un modelo litológico ni estratigráfico, es geofísico.

Ventajas:

No son destructivos
Gran cobertura
Cubren un gran volumen de terreno, no son puntuales
Orientadores de estudios
El uso de los sondeos es fácil y rápido
Tienen bajo coste relativo, son rentables.

Desventajas:

Son complementarios a otros estudios (sondeos y ensayos)
Especialización en su interpretación
Complejidad de equipos y de interpretación
Se necesita experiencia
Se complementa con geología

Principales métodos y parámetros a medir e interpretar:

Eléctricos (SEV, calicatas eléctricas, dipolo-dipolo).
Sísmico (refracción, reflexión).
Electromagnéticos (dominio de frecuencias, dominio de tiempos, VLF, georradar).
Gravimétrico
Magnéticos
Testificación geofísica en sondeos (eléctrica, nuclear, sónica, fluidos, geométrica).
Sísmica de sondeos (cross.-hole, down-hole, up-hole, tomografía sísmica).

Métodos sísmicos

Pueden ser de dos tipos:

Reflexión: es indiferente la disposición de las capas. Ventajas Desventajas
Refracción: el más habitual. En él, se requiere que el terreno blando esté encima del duro. En este tipo de sísmica, la clave es que la onda va más deprisa por el material más rígido. El método consiste en la colocación de geófonos equidistantes (5 metros, aproximadamente) en longitudes e 15 a 140m. Se produce un disparo con una maza que golpea el terreno. Se estudian, así, las curvas domocrónicas que son las de velocidad de las diferentes ondas, pues, al pasar de un estrato a otro, se cambia la velocidad de las ondas y se producen codos. Parte de la onda refractada viaja por la junta que separa los estratos. La velocidad de ondas p está tabulada para cada tipo de terreno. Para este tipo de métodos, conviene que sea un terreno distribuido en capas horizontales de espesor constante y que el terreno no sea accidentado. Las velocidades de propagación son crecientes con la profundidad, y hay un ruido de fondo que genera amortiguación en las llegadas y tiene que ser tenido en cuenta.

Métodos eléctricos

Se apoyan en fenómenos eléctricos naturales o inducidos en el terreno. Se basan, principalmente, en la resistividad de elementos del terreno. Para este tipo de métodos, se introducen dos electrodos de hierro templado a través de los que se inyecta una corriente eléctrica. Se utilizan también unos electrodos de potencial que miden la diferencia de potencial. La profundidad del sondeo es, aproximadamente, la mitad de la distancia entre los electrodos que inyectan corriente. Trasladando los diferentes electrodos por el terreno, se obtiene una calicata eléctrica, que es un perfil que nos da una curva de resistividad. A través de ella, podremos saber la existencia de galerías, diferentes materiales… Los materiales se reconocen por sus valores de resistividad que están tabulados.

Microgravimetría

Mide la falta de masa en el terreno. Son aparatos muy precisos que requieren el conocimiento exacto de las coordenadas de los puntos a medir. Se recrea la Tierra en forma de esfera. Tenemos que coger muestras de diferentes densidades y realizar una corrección astronómica en función del estado de la Luna.

Métodos electromagnéticos

Se propagan señales electromagnéticas a través del terreno que salen en todas las direcciones. Estas ondas se reflejan y se refractan, y las recibimos de vuelta por una antena. Este método tiene limitaciones, como de profundidad (24m) y que no supera las arcillas. También existen métodos VLF (de frecuencias muy bajas) que, a través de dos aros, uno en el terreno y otro en la mano, detecta fracturas y emite un sonido.

Geofísica de sondeos

Es un método más económico que la extracción de testigos. Consiste en introducir una sonda en el sondeo hasta el fondo. Se va tirando de esta y se registra una curva con las magnitudes que va midiendo. Obtenemos la columna estratigráfica a partir de la geofísica más exactamente que en testigos, pues hay un alto porcentaje de pérdidas en ellos. No se puede hacer un único método, hay que combinar varios para que los resultados sean fiables. Los métodos en geofísica de sondeos, por orden de introducción, son:

Inclinación del sondeo (brújula), que nos va indicando en el ordenador toda la inclinación el sondeo, tanto en planta como en alzado.
El calibre. Tiene tres patas, como las de un paraguas, que cuando aparecen huecos se va abriendo y queda registrado.
Onda de rayos gamma naturales. Mide la radiactividad natural (aparición de isótopos radiactivos). Nos aparece una curva que relaciona la profundidad del sondeo con la radiactividad, es decir, lo alterado que está el estrato. Esto es útil, si tenemos, por ejemplo, un suelo estratificado en que aparecen arcillas mezcladas con calizas.
Sonda de geofísica eléctrica por conductividad. Es similar a la de superficie. Hay unos electrodos que van pegados al taladro y a través de ellos podemos ver las diferentes capas.
Sonda sónica. Se mide la velocidad de transmisión en la roca. Se introduce el vibrador con cierta frecuencia y se recogen las ondas que llegan. Se calcula, con ello, el número de Poisson.
Atenuación sónica. Mide la atenuación de las ondas en el terreno.
Método magnético. Mide el magnetismo de la roca. Depende el magnetismo residual de la roca, que es función de la situación el norte magnético cuando se produjo la formación de la roca, además del magnetismo terrestre actual. Sirve para las inyecciones de cemento porque, a veces, se añaden cenizas que llevan hierro para que, cuando fragüe, se orienten hacia el norte magnético. Si tenemos varios taladros próximos e inyectamos en uno cemento, podremos comprobar que la inyección ha sido satisfactoria midiendo el magnetismo en el taladro contiguo. El hormigón da muy poca susceptibilidad magnética.
Introduciendo agua en el terreno y viendo como se escapa, obtenemos otra curva de permeabilidad.