MÉTODOS DE PERFORACIÓN, MUESTREO Y ENSAYOS DE CAMPO

LABORATORIO DE SUELOS

METODOS DE PERFORACION.
PERFORACION MANUAL
“Los pozos profundos son perforados a través de muchas técnicas y generalmente requieren de grandes equipos de perforación. La perforación manual de pozos profundos se realiza mediante una técnica que combina los sistemas de rotación y percusión, donde el origen de la fuerza motriz es la fuerza humana de los operadores”
Equipo de Perforación
* Torre de perforación
* Barras o tubería de perforación
* Broca
* Bomba de lodos
Barras o tubería de perforación
Estas barras o tubos de perforación de hierro reforzado de gran resistencia a los impactos de la percusión y torsión. En el proceso de perforación ademas de los tubos se necesita una palanca (manija o agarrador) que facilite las labores de rotación

Broca de perforación.
Las brocas son herramientas que realizan el trabajo de rotura, disgregación, trituración, y mezcla de las rocas o materiales por donde va pasando la perforación. Estas herramientas deben cumplir con ciertas especificaciones técnicas y geométricas dependiendo del tipo de materias con el que se esta trabajando.
Brocas Impregnadas.
Actualmente las de mayor uso por su amplio rango de aplicación buena penetración y prolongado tiempo de vida. Este tipo de broca esta diseñada para tener una exposición de diamantes (sintéticos) para adecuarse mejor a formaciones duras y fracturadas.
PERFORACION MECANICA.
Los equiposde perforación van montados sobre unas estructuras, de tipo mecano, con las que el operador consigue controlar todos los parametros de la perforación desde unas posiciones cómodas. Estas estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumaticos u orugas y ser automotrices o remolcables.
Por otro lado, los tipos de trabajo, tanto en obras de superficie como subterraneas, pueden clasificarse en los siguientes grupos
a. Perforación de banqueo.
b. Perforación de avance de galerías y túneles.
c. Perforación de producción.
d. Perforación de chimeneas.
e. Perforación de rocas con recubrimiento.
Los dos grandes métodos mecanicos de perforación y los cuales se desarrollaran en este trabajo son los rotopercutivos y los rotativos.
Figura1 Tipos de perforación en trabajos a cielo abierto

PERFORACION ROTO PERCUTIVA
La perforación ha roto percusión es el sistemas mas clasico de perforación de barrenos. El principio de perforación de este sistema se basa en el impacto de una pieza de acero (pistón) que golpea a un útil que a su vez trasmite la energía al fondo del barreno por medio de un elemento final (boca).
Los equipos rotopercutivos se clasifican o se dividen en dos grandes grupos, según donde se encuentre colocado el martillo.
* Martillo en cabeza. “En estas perforadoras dos de las acciones basicas, rotación y percusión, se producen fuera del barreno, transmitiéndose a través de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforación. Los martillos pueden ser de accionamiento neumatico o hidraulico.”* Martillo de fondo. “La percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno. El accionamiento del pistón se lleva a cabo neumaticamente, mientras que la rotación puede ser neumatica o hidraulica.”
Según los campos de aplicación de estas perforadoras, cielo abierto o subterraneo, las gamas de diametro mas comunes son:
Tipo de perforadora Diametro de perforación (mm)
Cielo abierto subterraneo
Martillo en Cabeza 50-127 38-65
Martillo en fondo 75-200 100-165

Tabla1

Fundamentos de la perforación Rotopercutiva.
La perforación a rotopercusión se basa en las siguientes acciones.
* Percusión. Son los impactos generados por pistón al golpear el suelo, que producen una onda de choque que se transmiten a la boca por medio del varillaje (en el martillo en cabeza) o directamente sobre ella (en el martillo de fondo).

* Rotación. Con este movimiento se hace girar la boca para que así los impactos tengan lugar sobre la roca en diferentes posiciones.

* Empuje. Para que se mantenga en contacto el útil de la perforación con la roca se aplica un empuje sobre la sarta de perforación.

Martillo en fondo Martillo e n cabeza

Ventajas que presenta la perforación Rotopercutiva.
* Es aplicable a todos los tipos de roca.
* La gama de perforación esa alta.
* Solo es necesario un operario para su manejo.
* Su mantenimiento es sencillo.
Tipos de obra donde seutiliza.
* En obras publicas subterraneas; Túneles, cavernas de centrales hidraulicas, depósito de residuos, y de superficie; carreteras autopistas, excavaciones industriales etc.

PERFORACION ROTATIVA CON TRICONOS
Se empieza a utilizar en la minería las denominadas bocas triconos, desarrolladas en el campo del petróleo desde 1907. Los diametros de los barrenos van desde 2” hasta 17”, siendo este el rango de aplicación mas frecuente.
Este método de perforación es muy versatil, ya que abarca una amplia de rocas, desde las muy blandas, donde comenzó su aplicación, hasta las muy duras.
“Las perforadoras rotativas estan constituidas fundamentalmente por una fuente de energía, una batería de barras o tubos, individuales o conectadas en serie, que transmiten el peso, la rotación y el aire de barrido a una boca con dientes de acero o insertos de carburo de tungsteno que actúa sobre la roca.”
Figura2 Componentes principales de una perforadora rotativa de accionamiento eléctrico.

Triconos.
Aunque la aparición de los triconos como herramienta de perforación se remonta al año 1910, se puede decir que hasta el desarrollo de los equipos rotativos de la década de los 60 no se logreo un perfeccionamiento en el diseño y fabricación de este tipo de bocas que hiciera su utilización masiva en minería. El trabajo de un tricono se basa en la combinación de dos acciones:
* Indentación. “Los dientes o insertos del tricono penetran la roca debido al empoje sobre la roca. Este mecanismo corresponda a la trituración de la roca.* Corte. Los fragmentos de roca se forman debido al movimiento lateral de desgarre de los conos al girar sobre el fondo del barreno.”
Figura3 Esquema de tricono
PERFORACION ROTATIVA POR CORTE
La perforación rotativa por corte tuvo su maximo desarrollo en la década de los 40 en las minas americanas de carbón para el barrenado del cubrimiento y del propio mineral. La perforación por corte en los barrenos de producción se realiza con bocas cuya estructura dispone de elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos policristalinos, que varían en su forma y angulo, pudiéndose distinguir los siguientes tipos:
* Bocas bilabiales o de tenedor, en diametros de 36 a 50 mm.
* Bocas trialetas o multialetas, en diametros de 50 a 115 mm.
* Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado en diametros desde 150 mm hasta 400 mm.

Fundamento de la perforación por corte
1. Deformaciones elasticas por las tensiones debidas a la deflexión angular de la boca y torsión a la que se somete a la misma.
2. Liberación de las tenciones de deformación con un impacto subsiguiente del elemento de corte sobre la superficie de la roca y conminución de esta.
3. Incremento de tensiones en la zona de contacto boca-roca con desprendimiento de uno o varios fragmentos que una vez evacuados permiten reiniciar el nievo ciclo.

ENSAYOS DE CAMPO.
ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTANDAR (SPT
El ensayo de penetración estandar o SPT (del inglés standard penetration test),es un tipo de prueba de penetración dinamica, empleada para ensayar terrenos en los que queremos realizar un reconocimiento geotécnico. Constituye el ensayo o prueba mas utilizado en la realización de sondeos, y se realiza en el fondo de la perforación.
Consiste en medir el número de golpes necesario para que se introduzca una determinada profundidad una cuchara (cilíndrica y hueca) muy robusta (diametro exterior de 51 milímetros e interior de 35 milímetros, lo que supone una relación de areas superior a 100), que permite tomar una muestra, naturalmente alterada, en su interior
ENSAYO DE PENETRACION DE CONO (CPT)
El ensayo de penetración estatica CPT consiste en hincar a presión en el suelo a una velocidad constante de 2 cm/s. Una punta cónica que permite medir por separado la reacción que opone el suelo a la penetración del cono (qc) y el rozamiento de un manguito ubicado por encima del mismo (fs). El ensayo CPTU (piezocono) permite medir ademas la presión de poro que se genera durante la hinca.
La reacción necesaria para la hinca esta dada por el propio peso del vehículo o por anclajes al terreno. El ensayo CPT puede realizarse con puntas mecanicas o eléctricas. El ensayo CPTU es completamente electrónico y las medidas son efectuadas por captores de presión, amplificadas y tratadas por un convertidor A/D. Se calibra periódicamente siguiendo las normativas internacionales.
Se determinan 3 parametros a intervalos de 20.5 o 1cm.
* Resistencia por punta qc
* Rozamiento del fuste fs.
* Presión intersticial u.PENETRÓMETRO DE BOLSILLO
El Penetrómetro de bolsillo se utiliza específicamente para determinar la resistencia a la penetración de las capas superiores del suelo (profundidad de medición 5 mm) y de muestras en el campo o en el laboratorio. Rango de medición 0,5 MPa. El Penetrómetro de bolsillo se compone de una carcasa, un muelle, una punta de penetración plana, de un anillo deslizante y una escala.
Al presionar el Penetrómetro contra el suelo, la punta se encuentra con la resistencia de la fuerza de la tierra. El muelle es comprimido por esta fuerza.
El anillo se desliza y nos muestra en la escala la fuerza maxima que ha encontrado. La escala ha sido calibrada de tal manera que la resistencia a la penetración que se ha encontrado puede leerse en él de inmediato
PENETRACION DINAMICA DE CONO
El Penetrómetro Dinamico de Cono (PDC) mide la penetración dinamica por golpes, a través del terreno natural o suelo fundación, levemente cementados. Es un método no destructivo capaz de medir la capacidad estructural in situ del suelo de fundación. El equipo puede ser utilizado en: Identificación de tramos homogéneos, control de la construcción de las distintas capas de pavimento y determinación de la eficiencia de equipos de compactación, evaluación de un suelo colapsable, estabilidad de taludes etc.
El modelo consta de una varilla de acero de penetración de 16mm. de diametro. En su extremo inferior un cono de acero temperado de 60 grados y 20mm. de diametro. El PDC es introducido en el suelo por un martillo deslizante de 8Kg que caedesde una altura de 575mm.
ENSAYO DEL DILAMOMETRO (DMT)
El dilamometro, el cual es de los mas nuevos instrumentos de ensayo in situ, fue desarrollado durante los años 70. También es conocido como el dialmametro plano, y consiste en una hoja metalica de 95mm de ancho y 15mm de espesor con una membrana de acero expandible fina, plana y circular sobre uno de sus lados.
EL ENSAYO DEL PRESURÓMETRO (PMT
En 1954, un joven estudiante francés de ingeniería llamado Louis Menard comenzó a desarrollar un nuevo tipo de ensayo in-situ: el ensayo del presurómetro. Aunque 20 años atras Kogler había realizado un trabajo limitado sobre un ensayo similar, fue Menard quien lo hizo una realidad practica.
El presurómetro es un globo cilíndrico que se inserta en el suelo y luego se infla, como se muestra en la figura adjunta. Las mediciones del volumen y la presión se usan para evaluar los esfuerzos in-situ, la compresibilidad, y la resistencia del suelo adyacente y así el comportamiento de una cimentación.

EL ENSAYO DE LA VELETA DE CORTE
Este ensayo (ASTM D2573) consiste en insertar una veleta metalica en el suelo, y se le hace rotar hasta que el suelo falla por corte. La resistencia al corte no drenado puede ser determinada a partir del torque en la falla, las dimensiones de la veleta, y de otros factores.
La veleta puede avanzar a grandes profundidades simplemente empujandola en lo mas profundo (especialmente en suelos blandos) o el ensayo puede desarrollarse bajo el fondo de una perforación y puede ser repetido conforme avanza laperforación. Sin embargo, la veleta debe ser muy delgada para minimizar la disturbancia del suelo, y lo suficientemente fuerte para usarse en suelos cohesivos blandos a medios. El ensayo se realiza rapidamente (aproximadamente en un minuto se produce la falla) y por lo tanto se mide solo la resistencia no drenada
METODOS DE MUESTREO
* Muestreo con tubo de pared delgada.

Para recuperar muestras inalteradas de las perforaciones en suelos blandos, es necesario utilizar muestreado res que causen la menor alteración posible. Esto se logra con muestreado res de pared delgada, constituidos por un tubo de acero ó latón, con el extremo inferior afilado y unido en la parte superior con la cabeza muestre adora, la que a su vez esta montada en el extremo inferior de la columna de barras de perforación, con las cuales se hinca el muestreado desde la superficie. Los diametros mas comunes de este muestreado son 7.5 y 10 cm.

* El muestreado Selby

Se debe hincar una longitud de 75 cm, con una velocidad constante entre 15 y 30 cm/s; se debe permitir que una longitud de 15 cm quede sin muestra, donde se alojaran los azolves. Después del hincado, se deja reposar la muestra durante tres minutos, para generar mayor adherencia entre tubo y suelo.
* Muestreo con tubo dentado

En suelos duros y compactos se utiliza el tubo dentado, para obtener muestras con un mínimo de alteración. El tubo muestreado es similar al tubo de pared delgada, excepto que la parte inferior tiene 8 dientes de corte, dispuestos simétricamente, que miden entre 0.8y 1.0 cm de altura y 3 cm de base. En las características del equipo y su operación se destaca la velocidad de hincado, que debe ser constante (1.0 cm/s).
* Muestreo con barril Denison.

Este muestreado opera a rotación y presión, permite recuperar muestras con poca alteración, en arcillas duras, limos compactos y limos cementados con pocas gravas, abajo del nivel freatico; las muestras recuperadas son de 7.5 y 10 cm de diametro. El barril Denison es el mejor muestreado para las tobas duras, si se muestrea arriba del nivel freatico, se debe utilizar aire como fluido de perforación. En ambos extremos de cada muestra inalterada se deben realizar pruebas de resistencia con tacómetro y penetró metro de bolsillo. Esta doble determinación de resistencia se efectúa inmediatamente antes de proceder a sellar muestras. El sellado tiene como por objeto proteger las muestras contra las vibraciones y la pérdida de contenido natural de agua, usando para ello papel de estaño y una mezcla de brea y parafina.

BIBLIOGRAFIA

* LOPEZ JIMENO, CARLOS. LOPEZ JIMENO, EMILIO. GARCIA BERMUDES, PILAR.2003. Manual de perforación y voladura de rocas. Madrid. 778 pag.
* Igeotest. (s.f.). Igeotest. Recuperado el 2 de Abril de 2011, de http://www.igeotest.com
* Scribd. (s.f.). Scribd. Recuperado el 2 de Abril de 2011, de http://es.scribd.com
* Wikipedia. (s.f.). Wikipedia. Recuperado el 2 de Abril de 2011, de http://es.wikipedia.org


[ 3 ]. LOPEZ JIMENO, CARLOS. LOPEZ JIMENO, EMILIO. GARCIA BERMUDES, PILAR.2003. Manual de perforación y voladura de rocas. Madrid. 778 pag.
[ 4 ]. Ibíd., pag. 17
[ 5 ]. LOPEZ JIMENO, CARLOS. LOPEZ JIMENO, EMILIO. GARCIA BERMUDES.2003. En: Perforación Rotopercutiva, Manual de perforación y voladura de rocas. Madrid. PP. 25-55.
[ 6 ]. Ibíd. Pag. 25
[ 7 ]. LOPEZ JIMENO, CARLOS. LOPEZ JIMENO, EMILIO. GARCIA BERMUDES.2003. En: Perforación Rotativa con triconos. Manual de perforación y voladura de rocas. Madrid. PP. 73-90.
[ 8 ]. Ibíd. .Pag. 73
[ 9 ]. LOPEZ JIMENO, CARLOS. LOPEZ JIMENO, EMILIO. GARCIA BERMUDES.2003. En: Perforación Rotativa con triconos. Manual de perforación y voladura de rocas. Madrid. PP. 73-90.
9 Ibíd.Pag.91
[ 11 ]. LOPEZ JIMENO, CARLOS. LOPEZ JIMENO, EMILIO. GARCIA BERMUDES.2003. En: Perforación Rotativa por corte. Manual de perforación y voladura de rocas. Madrid. 2003. PP. 103-108