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ITESM CAMPUS QRO
27 de Agosto de 2013
1
Carrera de Ingeniería Civil
Laboratorio de Mecánica de Suelos
Pedro Basila
Laboratorio de Mecánica de Suelos.
Métodos de exploración de suelos.
En la realización de cualquier desarrollo, sin importar su magnitud, se deben
conocer las condiciones del suelo sobre el que se va a construir. Estas condiciones
afectan de gran manera la forma y costos del proyecto, ya que el análisis de suelos
nos indica varios factores clave que sirven para conocer qué tipo de cimentación va
a tener la estructura. La profundidad de la investigación depende del tamaño del
proyecto, por ejemplo una carretera se puede efectuar conociendo las
características del suelo a la profundidad de unos cuantos metros, en cambio un
edificio de varios pisos necesitaría saberse las características del suelo a varias
decenas (sino es que cientos) de metros.
Según un trabajo expuesto por la Corporación Universitaria de la Costa, sobre la
exploración y muestreo de suelos:
Es por estas razones que se han inventado diferentes tipos de muestreo y
exploración de suelos, cada uno buscando como objetivo eficientar los recursos y
disminuir el tiempo necesario para una buena exploración de suelos, ya que estos
son cruciales para el inicio de la obra ya que en la mayoría de los casos los costos
del estudio de suelo son los más exigentes al inicio de cada obra siempre se debe
asegurar que estos cubran toda la zona de influencia de esta.

La misma Corporación Universitaria de la Costa describe que el muestreo y la
exploración de úselos se suelen dividir en dos grandes categorías:
METODOS INDIRECTOS
Los métodos indirectos para el muestreo y exploración de suelos suelen utilizarse
para evaluaciones preliminares del proyecto, así se determinan las condiciones y
los equipos a utilizar para una exploración de suelos más precisa (métodos
directos), Con esta información se puede identificar y prevenir cualquier problema
logístico, disminuyendo los costos que un incidente podría ocasionar en la etapa
preliminar.
Carta geológica y
estructura del área de
estudio
El M.I. Bernardo Gómez González determina en breve la forma de realizar un
estudio del suelo de manera indirecta:
“Recopilación de información geológica y geotécnica existente del sitio en estudio.
Planos topográﬁcos y planos del proyecto preliminar. INEGI: Cartas geológicas y

fotografías aéreas. Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos: Datos geotécnicos
de algunas ciudades.
Inspección del sitio por el ingeniero geotécnico encargado del estudio acompañado
de un ingeniero geólogo asesor, para verificar y ampliar la información preliminar
disponible e identificar la presencia y características de edificaciones colindantes al
sitio o existentes en el sitio mismo, así como la presencia de instalaciones públicas
que pudieran interferir con la exploración y con la construcción.” (Tamez, 2001)
Cortes geológicos de la Formación Cerros de Aguirre. Trazas indicadas.

Ventajas y desventajas.
La estereoscopia empleada correctamente puede ayudar a determinar fácilmente
que tipo de rocas se encuentran en el área de manera rápida pero no proporciona
un análisis preciso del suelo, lo que hace de esto método un método preliminar
para costear proyectos pero no para determinar cimentaciones. Al igual este
método puede servir para saber qué equipo utilizar para las pruebas directas que
ayudan a determinar con mayor precisión las características del suelo.
MUESTREO CON TUBOS DE PARED DELGADA o GRUESA.
Se sabe que bajo ninguna circunstancia se puede obtener una muestra de suelo
que pueda ser rigurosamente considerada como alterada, de hecho siempre se
alterara la muestra ya que cualquier extracción física ocasiona cambios
instantáneos de la muestra. Es por esto que es necesario cuidar de las muestra
rigurosamente y evitar el interperismo que pudiera haber desde el campo hasta el
laboratorio a donde se va a analizar.
El muestreo con tubos de pared delgada no es recomendable para suelos muy
blandos o con alto contenido de agua y arenas, ya que las muestras no se logran
extraer completas del tubo al salir de la perforación.

Los resultados del muestreo de suelos mediante la perforación e introducción de
un tubo pueden ser variados, ya que estos representan físicamente al suelo, y su
análisis se debe determinar con diferentes pruebas ya sean eléctricas, químicas o
físicas. Cada tubo de pared delgada que se extrae contiene un “núcleo” el cual es
analizado posteriormente con otros métodos, este núcleo permite ver la
estratigrafía del suelo directamente y dar una idea de su composición a primera
instancia.
Núcleo de hielo en el campo de Vostok en la Antártida, 5
abril, 2010.

Dependiendo de cómo se extrajo la muestra se pueden realizar diferentes estudios
como son los de la fotoelasticidad o radiografías que permiten determinar la
composición del suelo junto con otras características, es una de las mejores
pruebas para determinar las características del suelo, aunque se puede ver
imposibilitado por condiciones geográficas no apropiadas para implementar la
maquinaria, al igual que se debe de saber si se utilizará un tubo de pared gruesa o
delgada ya que cada una es especial para ciertos tipos de suelos.
Es más costosa que otros métodos de exploración pero es compensada por la
precisión que esta involucra.
ENSAYO DE PENETRACIÓN SEMI-ESTÁTICA (CONO HOLANDÉS)
Aunque existen diferentes tipos de ensayos de penetración, mi enfoque será en el
cono holandés ya que fue del que más información encontré y el mejor explicado,
aunque existen diferentes categorías las cuales pueden ser utilizadas para
diferentes propósitos. Existen las Tipo Danés, Tipo para ensaye dinámico, o Tipo
de Inyección y dependiendo del procedimiento se dividen en estáticos y dinámicos.
En los primeros la herramienta se hinca a presión, medida en la superficie con un
gato apropiado; en los segundos el hincado se logra a golpes dados con un peso
que cae.

Civil Geeks presenta los puntos más importantes de este tipo de exploración de
suelos.
 El ensayo de penetración semi-estática con el cono Holandés (CPT) ha sido
usado en Europa desde 1920. Desde 1960 ha sido introducido en los Estados
Unidos y el primer equipo que llegó a nuestro país (Perú) arribó en 1984.
 El cono holandés es el ensayo de penetración estática más difundido. En la
Figura No. 1 se puede observar el Cono Holandés Gouda y sus diversas
partes, con una indicación de la forma en que pueden desplazarse éstas
durante el ensayo.
Este cono tiene dos juegos de barras,
uno exterior hueco, de 36 mm de
diámetro, y otro interior sólido de 15 mm
de diámetro. Las barras poseen sendas
roscas para unirse entre sí. La barra
interior está conectada a la punta del
cono, esta punta tiene 60º de ángulo en
el vértice, un diámetro igual al de la
barra exterior y un área de 10 cm². La
barra exterior está conectada al cono, el
cual puede correr libremente hasta 70
mm empujado por ésta.
Se resalta que un accesorio muy importante para este
método es el “Manguito de Fricción Begemann”, este
manguito tiene 150 cm² de área lateral y está dispuesto
de tal manera que es arrastrado por el cono durante la
última mitad de su carrera; es decir de los 70 mm de
avance del cono, los primeros 35 mm los efectúa sólo y
los siguientes 35 mm lo hace arrastrando consigo el
manguito. Basta restar la primera lectura de la segunda
para hallar el valor de la fricción local provocada por el
Manguito Begemann.
En la parte superior de las barras, el extremo de éstas
se conecta a un dispositivo hidráulico que puede aplicar
carga indistintamente a la barra interior o a la exterior.
Dos manómetros, uno para cada barra, permiten medir
la carga aplicada a cada una de éstas en un momento
dado.

 La fuerza para introducir el cono era aplicada manualmente (por medio de
poleas y cadenas) hasta hace unos años, hoy se utiliza la fuerza hidráulica.
Esta fuerza se aplica con una bomba accionada por un motor de gasolina o
diesel. El equipo que habitualmente opera el autor de este documento es de
2.5 T de capacidad de empuje y pesa sólo 80 Kg., puede ser transportado por
avión o en un vehículo pequeño, a este cono se le denomina también Cono
Gouda y es del tipo mecánico (no electrónico) impulsado por fuerza hidráulica.
Antes de iniciar la prueba, es necesario anclar el equipo al terreno, esto se
logra con unos espirales especiales o aplicando carga sobre la base.
Los resultados se presentan en una gráfica que realiza un procesador y esta revela
las condiciones del suelo, dependiendo del tipo de cono de penetración utilizado las
gráficas pueden variar, pero presentan resultados inmediatos conforme se sumerge
el cono.

Este método puede considerarse como un método directo ya que se trabaja de
manera directa en el campo, se obtienen datos de la muestra de suelo directa en
contacto con el cono. Es rápido, efectivo y puede derivar con diferentes resultados
dependiendo del análisis que se realizó y del tipo de penetrómetro que se utilizó.
Es importante recalcar que existen empresas grandes como
Fugro adquieren datos geotécnicos y de otro tipo para
caracterizar el subsuelo. Los datos se recogen usando una
variedad de métodos internos, herramientas y sensores que
van desde las pruebas de penetración de cono (CPT), métodos
geofísicos a las técnicas de perforación convencionales, toma
de muestras y pruebas de pozo.
Las pruebas de Penetración de Cono utilizadas revelan datos
muy importantes y pueden ahorrar dinero y tiempo, a la vez
que se pueden efectuar sobre diferentes superficies.
La desventaja de esta prueba sería el costo de esta, que
aunque disminuye bastante en proyectos grandes, en
proyectos pequeños suele ser bastante cara (como para la
construcción de una casa), además este método requiere de
una topografía aceptable para su implementación, ya que en
condiciones adversas es necesario el uso de helicópteros que
transporten el equipo a la zona a analizar.
A mi gusto esta sería la prueba que más utilizaría para la
exploración de subsuelos.

CONO DINAMICO
Los conos dinámicos son técnicas de exploración
geotécnica antiguas, pero modernizadas con el
paso del tiempo ya que gracias a la tecnología de
microchips se pueden obtener una gran variedad
de datos además de una mayor precisión en los
mismos.
El cono dinámico se divide en dos tipos el de cono
perdible o el de cono recuperable, siendo la
diferencia en que en el primero la cabeza del cono
se desprende al momento de sacar la barra, ya sea
simplemente retirando la barra o rotándola en
sentido contrario a las manecillas de reloj en caso
de tener cuerdas entre la barra y el cono (como si
se tratase de un tornillo) mientras que en el
segundo la cabeza contiene una cuerda que
permite recuperarlo.
Estos tipos de conos son hincados a percusión, ya que lo conforman una punta de
acero con ángulos de ataque a 60° mientras que el diámetro del cono es mayor al
de la barra con la que se hinca, así se reduce la fricción con el suelo sobre las
barras, y se concentra meramente en la
cabeza del cono.
El perno es puntiagudo y sirve únicamente de
guía para el cono. La energía de hincado es
un parámetro que se define como la energía
empleada para hacer penetrar el cono, la cual
en este tipo varia con la energía utilizada en
la penetración estándar. Ya que ambos
funcionan de manera similar, lo cual consiste
en levantar el cono para dejarlo caer lo más
libremente posible desde una altura
constante, las cuales se van determinando
mediante tablas.
Existen otros sistemas como el Borros el cual
consta de un martinete de caída libre que
levanta automáticamente una banda de
cadena con un gancho y que a una altura
determinada suelta el cono. Siendo mucho más sencillo que el sistema de poleas
que se utiliza comúnmente.

Para obtener resultados es necesario dejar caer el cono el número de veces
necesario para penetrar 10cm del suelo, el error que suele ocurrir es que la
fricción no la provoque el cono sino la barra que lo sostiene, reduciendo la energía
de impacto, por lo cual se recomienda untar grasa a la tubería a medida que va
penetrando, o en suelos saturados utilizar lodo bentonítico para formar un flujo
laminar alrededor de la tubería.
Se utiliza una fórmula para estimar la capacidad de carga de un pilote hincado, de
igual forma se puede correlacionar las pruebas de cono con las de penetración
estándar. La fórmula empleada es la siguiente:
Los resultados que muestran un sondeo de cono dinámico muestran con mayor
detalle resultados sobre la prueba de penetración estándar y con ella se puede
determinar tanto la estratigrafía como la resistencia. Aquí se muestra un ejemplo
de la precisión del sondeo de cono.

POZOS A CIELO ABIERTO
La excavación de pozos a cielo abierto con el empleo del pico y la pala permiten
recuperar buenas muestras representativas alteradas del subsuelo, sin embargo, su
aplicación principal es la obtención de muestras inalteradas de la más alta calidad
y sólo esta aplicación justiﬁca su costo.
Tamez determina que de los pozos a cielo abierto se pueden obtener muestras
inalteradas de la mejor calidad.
“Estas se obtienen excavando pozos a cielo abierto, con sección cuadrada o
circular, de 1.50 a 2.00m por lado o diámetro, hasta profundidades de 5.00 a
10.00m, si el nivel freático se encuentra a mayor profundidad. La excavación permite
obtener la siguiente información:

 La observación detallada de la estratigrafía y la clasiﬁcación geológica y
geotécnica de cada estrato.
 Obtención de muestras inalteradas labradas directamente de cada uno de
los estratos; las muestras pueden ser de forma cúbica, de 20cm por lado, o
cilíndricas de 20cm de diámetro, después de labradas se protegen
envolviéndolas en una capa de tela recubierta con una mezcla de cera,
paraﬁna y brea, en partes iguales, para evitar la pérdida de humedad; puede
usarse también envoltura de plástico
egapack.
 Cuando no se pueden labrar buenas
muestras por falta de cohesión del
suelo, o por la presencia de gravas
grandes o cantos rodados, puede ser
necesario utilizar en el sitio pruebas
mecánicas de gran tamaño para
determinar la resistencia al corte y la
compresibilidad de esos materiales.”
(Tamez, 2001)
Los resultados de esta prueba es visualizar la estratigrafía del suelo de manera
directa, sabiendo así como está compuesto el suelo.

Esta prueba genera pocos gastos en la generación de una exploración de suelos
superficial, está limitada por la profundidad máxima en la que se puede realizar y en
las condiciones meteorológicas apropiadas para esta misma.
Para grandes proyectos consideraría poco práctica esta forma de muestreo, pero
para proyectos más pequeños creo que sería la opción más útil, dependiendo de lo
que se requiera analizar.
Otra desventaja que encuentro es si el nivel de aguas freáticas esta cerca de la
superficie puede ocasionar problemas a la hora de iniciar este muestreo, y se
tendrías que proceder a drenar el terreno (el cual aumentaría los costos de la
exploración) o tener que cambiar a otro tipo de muestreo.
Es importante recalcar que en este muestreo interfieren de manera directa o casi
directa el personal humano siendo este otro factor de riesgo importante a tomarse
en cuenta ya que en los demás se asegura la integridad física del operador, en
cambio en esta se tendrían que tomar medidas preventivas auxiliares para
garantizar la seguridad de los operadores.
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTANDAR.
El ensayo de penetración
estándar o SPT, es un tipo de prueba
de penetración dinámica, empleada
para ensayar terrenos en los que se
quiere realizar un reconocimiento
geotécnico.
Constituye el ensayo o prueba más
utilizada en la realización de sondeos,
y se realiza en el fondo de la
perforación.

Consiste en medir el número de golpes necesarios para que se introduzca a una
determinada profundidad una cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diámetro
exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros, lo que supone una relación de
áreas superior a 100), que permite tomar una muestra, naturalmente alterada, en
su interior. El peso de la masa está normalizado, así como la altura de caída libre,
siendo de 63'5 kilopondios y 76 centímetros respectivamente.
Gráfica que se puede obtener del ensayo. Se observa que la resistencia en general
aumenta con la profundidad y que hay capas que presentan una resistencia
importante mientras otras se muestran más blandas.
Como se menciona previamente este es uno de los métodos más utilizados para el
sondeo y exploración de suelos. Su costo no es muy elevado y puede realizarse
sobre diferentes suelos.
Las dificultades que enfrentaría este método sería la de la topografía del lugar, ya
que las condiciones geológicas en las que se puede presentar la prueba pueden ser
adversas y dificultar o poner en riesgo al personal de trabajo.

Lo simple de esta prueba muestra lo eficaz de la misma, las refacciones las
consideraría como las “menos costosas” siendo el caso de que esta es la prueba
que más se utiliza. Los resultados que presentan no pueden ser a muy grandes
profundidades ya que la maquinaria tiene un límite de profundidad, lo cual
imposibilita este proceso para exploraciones del suelo a profundidades
ENSAYO DE REFRACCIÓN SISMICA
En Civil Geeks se explica a manera concreta en que consiste un Ensayo de
Refracción Sísmica.
“[…]consiste en la medición de los
tiempos de viaje de las ondas
compresionales (ondas P), y algunas
veces de las ondas de corte (ondas S),
generada por una fuente de energía
impulsiva a unos puntos localizados a
diferentes distancias a lo largo de un
eje sobre la superficie del suelo. La
fuente de energía es generalmente una
carga pequeña de explosivo o un golpe
de martillo. La energía es detectada,
amplificada, y registrada de tal manera
que puede determinarse su tiempo de
arribo en cada punto. El instante del
impacto o explosión, “Tiempo cero”,
también es registrado conjuntamente
con las vibraciones del suelo que
arriban de los geófonos. Por lo tanto,
en general, los datos consisten en
tiempos de viaje y distancias, siendo el
tiempo de viaje el intervalo entre el
“Tiempo cero” y el instante en que el
geófono empieza a responder a la
perturbación.”
Con ellos podemos ver como esta prueba se realiza mediante el uso de geófonos
que miden el tiempo en que el impacto de un extremo del suelo a explorar llega al

punto a analizar. Es importante reconocer que esta técnica se realiza desde hace
mucho tiempo y es utilizada en exploraciones en grandes extensiones para conocer
la geología de determinadas regiones.
Si se cuenta con perforaciones
realizadas para ensayos SPT o con
pozos a tajo abierto, se pueden
efectuar ensayos de medición de
ondas P y S mediante una sonda-
geófono con sensores de tres
componentes. Estos ensayos
permiten determinar los parámetros
dinámicos del suelo, como la rigidez
inicial y las constantes elásticas
dinámicas, importantes para la
determinación de su respuesta
dinámica.
Los resultados de dichos ensayos se presentan en graficas que el procesador
analiza para determinar las características del suelo.

La ventaja de este tipo de ensayo es que de manera rápida y generando bajos
costos se puede hacer una exploración de grandes áreas, permitiendo obtener con
una precisión aceptable los espesores de los estratos y las velocidades de ondas P
y S que se transmiten sobre estas. Este método no es muy caro y los resultados no
tardan mucho en salir, solo que su desventaja seria su precisión para la
diferenciación de capas delgadas, y este problema deriva en que los resultados
presentan un margen de error que se origina por cientos de variables difíciles de
controlar, asi que los estratos delgados no serían identificados o serían muy difíciles
de identificar.
De igual manera cualquier técnica auxiliar de la Geotecnia no sustituirán a las
perforaciones en ninguna manera ya que este método no se podría considerar
directo, sino indirecto y por lo mismo su interpretación va a variar acorde a la
persona que realiza el estudio.
Otro problema serían las condiciones meteorológicas ya que se realiza a campo
abierto, se tienen que buscar condiciones en que personal operativo pueda realizar
las pruebas.

Aquí se muestran un par de geófonos.
Aquí se encuentra un equipo para análisis de ensayo sísmicos.

CONCLUSIONES
La importancia de elegir un método de exploración de suelos es tan importante
como definir los costos de proyecto, ya que estos definen no solo una parte que
pudiese ser importante en costo sino también importante en diseño y planeación
de una cimentación o una construcción.
Muchos problemas presentados en infraestructura civil se presentan debido a una
mala introspección y exploración de suelos, o a errores derivados en los cálculos
de estos ya que sabemos que los suelos presentan cambios en muchas
características como humedad, deformación, esfuerzo, plasticidad, granulometría
y características químicas conforme uno va adentrándose más al subsuelo.
Tamez explica la importancia de la exploración de suelos en su etapa preliminar,
ya que con ellas se pueden plantear alternativas preliminares de diseño y
construcción de la cimentación.
“Su objetivo es obtener en el campo la información que permita determinar las
características geotécnicas de las rocas o los suelos que constituyen el sitio
explorado; tales características son:
 Origen y clasiﬁcación geológica de suelos y rocas.
 Secuencia de los estratos o capas de suelo o roca (estratigrafía).
 Clasiﬁcación geotécnica de los materiales de cada estrato.
 Estructura y consistencia natural de los materiales de cada estrato.
 Posición del nivel freático.” (Tamez, 2001)
Las perforaciones son muy comunes como métodos directos de la exploración de
suelos, pero en este trabajo descubrí otros métodos no directos que ayudan a
analizar lo que se encuentra en el subsuelo de una mejor manera. Es importante
determinar que método se va a utilizar ya que este definirá la precisión y el costo
de la exploración del suelo, además de en qué condiciones se encuentra el sitio a
analizar ya que hay unos que si varían acorde a condiciones climáticas, u otros
que son imposibles acorde a condiciones geológicas.

Fuentes web consultadas y bibliografía:
FUGRO. Onshore Geotechnical Services. Consultado el 27 de Agosto de 2013.
http://www.fugro.com/
Corporación Universitaria de la Costa. Exploración y muestreo de Suelo. Consultado
el 27 de Agosto de 2013.
http://www.scribd.com/doc/32089839/Exploracion-y-Muestreo-de-Suelos
Civil Geeks. Experiencias con el ensayo de penetración semi-estática (Cono
Holandés). Consultado el 27 de Agosto de 2013.
http://civilgeeks.com/2011/04/13/experiencias-con-el-ensayo-de-penetracion-semi-
estatica-cono-holandes/
M.I. Bernardo Gómez González. Procedimientos de exploración y muestreo de
suelos y rocas. Consultado el 27 de Agosto de 2013.
http://www.civionica.net/images/NotasCimentaciones053.pdf
Tamez E. Ingeniería de Cimentaciones. Conceptos Básicos de la Práctica. TGC,
2001. Consultado el 27 de Agosto de 2013.
http://www.civionica.net/images/NotasCimentaciones053.pdf
Santoyo Villa, Enrique. Exploración de Suelos. Vigésima Conferencia Nabor Carrillo.
México; 2010.
Fuentes web de imágenes consultadas el 27 de Agosto de 2013:
http://www.scielo.org.ar
http://civilgeeks.com
http://fugro.com
http://ocw.uis.edu.co
http://ondasmecanicaspmtr.blogspot.
mx/

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