Los muestreadores de pistón, como su nombre lo indica, tiene incorporado un pistón interno para impedir que haya ingreso de suelo dentro del tubo muestreados antes de llegar a la profundidad de muestreo y para reducir la pérdida de muestra durante la extracción del muestreador.
Hay dos tipos de muestreadores de pared delgada con pistón adecuados para muestras inalteradas: muestreador de pistón libre y muestreador de pistón fijo.
El muestreador de pistón libre, se sujeta durante su inserción y extracción, pero está libre para moverse respecto al nivel del terreno y el tubo muestreador (U.S. Army Corp, 2001). Este no es recomendable para suelos cohesivos muy blandos, arenas sueltas y suelos orgánicos bajo el nivel freático (PEMEX, 2000).
El muestreador de pistón fijo, se baja a la profundidad deseada con el pistón fijo en el fondo del muestreador, luego se libera de la cabeza aunque queda fijo con respecto a la superficie del terreno. Una vez extraída la muestra, el muestreador es fijado de forma relativa a la cabeza del muestreador, antes de su extracción. Este tipo de muestreador es ideal para la extracción de muestras inalteradas en suelos cohesivos muy blandos, suelos orgánicos y también en arenas finas arriba y abajo del nivel freático usando lodo de
perforación (U.S. Army Corp, 2001), pero no son recomendados en suelos con gravas, suelo cementados o suelos de difícil penetración.
Dentro de los muestreadores de pistón fijo existen dos categorías, los activados mecánicamente, que incluyen los muestreadores Hvorslev, Hvorlev simplificado y el muestreador TGC; y los activados hidráulicamente a los que pertenecen los muestreadores Osterberg y Osterberg modificado. Las características de estas herramientas se describen a continuación.
Figura B.45. Diagrama de la operación de muestreo usando tubo Shelby (U.S. Army Corp, 2001).
1- Muestreador de Pistón fijo Hvorslev
Este muestreador se encuentra en la categoría de los activados mecánicamente, en el cual se utiliza un equipo mecánico de avance hidráulico para la introducción de la tubería de muestreo. SUPERFICIE DEL TERRENO TUBERÍA DE PERFORACIÓN SONDEO AMPLIADO Y LIMPIO VENTILACIÓN CABEZA DEL MUESTREADOR TUBO MUESTREADOR
FIN DEL HINCADO EXTRACCIÓN
MUESTRA
MUESTRA CAVIDAD
RESULTANTE AL REMOVER LA MUESTRA. INICIO DEL HINCADO
La cabeza del muestreador se adapta a tubos de diámetros de entre 7.5 cm y 12.5 cm, que tienen adaptado un anillo y un pistón. En la figura B.46 se puede observar la sección transversal de este muestreador.
Cuenta con un pistón, cuyo vástago puede ser desconectado del muestreador y retirado antes de extraer la muestra.
La succión para la retención de la muestra se realiza con el mismo movimiento del pistón durante el hincado del muestreador, gracias a las ranuras de ventilación ubicadas en la cabeza del muestreador.
Operación
Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador.
En la figura B.47, se puede observar la operación de muestreo utilizando el muestreador Hvorslev.
Para comenzar la operación, se ensambla el pistón con la punta del tubo muestreador debidamente alineada. Luego se sujeta el muestreador a la tubería de perforación y al vástago del pistón y se baja el muestreador al fondo de la perforación. Entonces, la tubería de perforación se sujeta al mecanismo de avance hidráulico de la tubería, el vástago del pistón rota en dirección a las mancillas del reloj y libera el pistón, el cual se asegura a la torre de perforación. El hincado del tubo se hace de igual forma a la descrita para el tubo Shelby.
Una vez obtenida la muestra, el vástago del pistón es girado en sentido contrario a las manecillas del reloj para asegurar el pistón a la cabeza del muestreador y desconectarlo del muestreador. Este puede ser sacado antes de hacer la extracción de la muestra o dejarse sujetado a durmiente cónico que se indica en la figura B.46.
Registro de datos
El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.
Protección y transporte de muestras
En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.
Ventajas y desventajas
La utilización de muestreadores de pistón fijo como el Hvorslev, tiene como ventajas que se previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que se incrementa el porcentaje de recuperación. Por otra parte, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores representan una desventaja para su utilización.
TUBERÍA DE PERFORACIÓN
EXTENSIÓN DEL PISTON
CUERDA DEL PISTÓN
COPLE CON SECCIÓN DE ROSCA
CABEZA DEL PISTÓN Y TOPE DEL ACOPLE RESORTE
ACOPLE CON LOMO QUE DESENGANCHA EL DURMIENTO DURMIENTE CÓNICO PARTIDO. ARAÑA PARA EL DURMIENTE CÓNICO.
CABEZA DEL MUESTREADOR VENTILACIONES
TUBO MUESTREADOR
TUBO QUE INTERRUMPE EL VACÍO
PISTÓN TUERCA
CORONA DEL PISTÓN CUBIERTA DE CUERO BASE DEL PISTÓN
Figura B.47. Diagrama esquemático de la operación de muestreo con muestreador de pistón fijo Hvorlev (US Army Corp, 2001).
PARED DE LA PERFORACIÓN
TUBERÍA DE PERFORACIÓN
PISTÓN
INICIO DEL HINCADO FINAL DEL HINCADO EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA EMBOLO DEL PISTÓN
SUPERFICIE DEL TERRENO TUBERÍA DE PERFORACIÓN DURMIENTE DEL EMBOLO TUBO MUESTREADOR LODO DE PERFORACIÓN PISTÓN VENTILACIÓN TUBO QUE INTERRUMPE VACIO INTERNO EN EL EMBOLO EMBOLO DEL PISTÓN LODO DE PERFORACIÓN MUESTRA CAVIDAD SOSTENIDA POR LODO DE PERFORACIÓN
2- Muestreador de Pistón fijo Hvorslev simplificado
El muestreador Hvorlev simplificado o Butters, contiene menos partes y conexiones a tornillos, lo cual lo hace más sencillo en su utilización.
Como se puede observar en la figura B.48, este muestreador está equipado con un pistón simplificado y un mecanismo de fijación y liberación del pistón.
Está diseñado para diámetros de tubería de hincado de 7.5 cm adaptable a 12.5 cm.
Operación
Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador.
Para comenzar la operación, se ensambla el pistón con la punta del tubo muestreador alineada correctamente. Luego se sujeta el tubo muestreador a la tubería de perforación y al vástago del pistón y se baja el muestreador al fondo de la perforación. Entonces, las extensiones del vástago del pistón, son sujetadas al ancla de la tubería de perforación y se gira en sentido de las manecillas del reloj para liberar el pistón, el cual se asegura a la torre de perforación. El hincado del tubo se hace de igual forma a la descrita para el tubo Shelby.
Una vez obtenida la muestra, el vástago del pistón se gira en sentido contrario a las manecillas del reloj para asegurar el pistón a la cabeza del muestreador y desconectarlo del muestreador para luego ser removido antes de la extracción de la muestra con ayuda de un resorte de tensión en su parte superior y al unidad de cierre del pistón que se indica en la figura B.48.
Registro de datos
El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.
Protección y transporte de muestras
En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.
Ventajas y desventajas
La utilización de muestreadores de pistón fijó como el Hvorslev, tiene como ventajas que se previene la entrada de partículas y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que se incrementa el porcentaje de recuperación. Por otra parte, la complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores representan una desventaja para su utilización.
3- Muestreador TGC
El muestreador TGC, es un tubo de pared delgada que puede operar con un pistón auxiliar. Está conformado por un tubo de acero, el cual aloja en su interior un tubo de
aluminio cortado en segmentos. En la punta, el muestreador está provisto de una zapata de corte de acero templado.
Su diseño reduce los problemas de extracción de la muestra y la corrosión de los tubos, muy comunes en los tubos delgados que normalmente se emplean. Está equipado también con una válvula muy ligera, para la salida del lodo de perforación durante el hincado del muestreador.
Este muestreador puede trabajar como muestreador de pared delgada o como muestreador de pistón automático, para lo cual cuenta con un cilindro neumático con el cual se genera un cierto vacío en el cabezal de la muestra, asegurando la retención de los suelos muy blandos en el interior del tubo durante la extracción (Santoyo y Contreras, 2001). En la figura B.49, se pueden apreciar las características y dimensiones de este muestreador.
Operación
Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador.
Su operación es similar a la de los muestreadores Hvorslev. Durante la etapa de hincado, la válvula ligera se encuentra abierta, permitiendo la salida del aire o el fluido de perforación. Cuando se termina el hincado, la válvula se cierra con ayuda de una varilla de acero de 1 a 2 m de longitud que se introduce a través de la columna de barras de perforación.
Registro de datos
El registro de datos se realizará de igual manera a la descrita en el numeral 1.2.2.
Protección y transporte de muestras
En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.
Ventajas
La utilización del muestreador TGC, tiene como ventajas que se previene la entrada de partículas y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo y se incrementa el porcentaje de recuperación. Además, el tubo seccionado de aluminio, reduce las dificultades de extracción de la muestra y reducen la corrosión.
Por otra parte, este muestreador puede ser construido de acuerdo con las dimensiones que se recomienda en la figura B.49, lo cual lo hace más accesible que otros muestreadores de pistón. Otra ventaja, es que puede trabajar como tubo de pared delgada hincado a presión o como muestreador de pistón.
Este muestreador fue diseñado para suelos muy blandos y los mayores rendimientos se obtienen cuando se aplica en estos suelos.
Figura B.48. Sección transversal de un muestreador de pistón fijo Hvorslev simplificado. TUBERÍA DE PERFORACIÓN EXTENSIÓN DEL PISTÓN UNIDAD DE CIERRE DEL PISTÓN CLAVIJA DE ACOPLE RESORTE CABEZA DEL MUESTREADOR GOMA LIMPIADORA TUBO MUESTREADOR EMBOLO DEL PISTÓN CUBIERTAS DE CUERO PISTÓN CLAVIJA PARA LIBERAR EL VACIO
4- Muestreador de Pistón fijo Osterberg
Este tipo de muestreador se activa hidráulicamente, haciendo su operación más rápida y simple que los muestreadote activados mecánicamente ya que no requiere del vástago de extensión para el pistón. En la figura B.50, se observa un esquema de la operación de este muestreador. El muestreador Osterberg está diseñado para tubería de 7.5 a 12.5 cm de diámetro y requiere de un diseño especial del muestreador de pared delgada.
No es recomendable su utilización con lodo de perforación para la extracción de la muestra, debido a que las partículas de arena suspendidas en el lodo actúan como un abrasivo que puede dañar los sellos de tipo aro sello. Por este motivo, se recomienda realizar la perforación con agua limpia, así como, enjuagar y purgar el muestreador después de cada muestreo.
Existe también el muestreador Osterberg modificado, el cual utiliza un muestreador de acero de pared gruesa el cual contiene una funda interior de aluminio y está equipado con una zapata de corte. El Osterberg modificado, está diseñado con un sistema de vacío que reduce los problemas de extracción de la muestra. Este consiste en un orificio de ventilación en el tubo de pared gruesa, cuya función es cortar el sello de vacío, facilitando la remoción de la funda interna. Para sacar la muestra inalterada, se remueve la zapata de corte para extraer la funda interna.
El Osterberg modificado no se encuentra disponible en el mercado, pero se puede construir para diámetros entre 7.5 y 12.5 cm. Por ser más rígido que el Osterberg convencional, resulta apropiado para el muestreo inalterado de suelos que contienen gravas finas (U.S. Army Corp, 2001).
Operación
Se debe tener en cuenta, que al llegar a la profundidad de muestreo se debe hacer la limpieza del sondeo antes de introducir el muestreador.
Para comenzar la operación de muestreo, el pistón se alinea con la punta del tubo muestreador y fijado a la cabeza principal del muestreador. Luego se enrosca a la tubería de perforación para bajar al fondo del sondeo. La tubería de perforación se ancla a la perforadora y se bombea a presión el fluido de perforación a través de la tubería para que el muestreador avance dentro del suelo inalterado. Cuando ha penetrado toda su longitud se libera la presión por un bypass localizado al final del pistón. El avance total del pistón se comprueba observando burbujas de aire o retorno del fluido de perforación en la parte superior del lodo de perforación.
Una vez obtenida la muestra, el muestreador se gira en el sentido de las manecillas del reloj, para cortar la muestra en la punta del muestreador. Luego el muestreador se retiene la posición para su extracción. Se debe tener extremo cuidado en la extracción del tubo para no perder la muestra. En la figura B.35 se puede observar un esquema de la operación con este tipo de muestreador.
Registro de datos
Protección y transporte de muestras
En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.
Ventajas y desventajas
La utilización de muestreadores de pistón fijo como el Osterberg, tiene como ventajas que se previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además que se incrementa la muestra. Además, por ser un muestreador activado hidráulicamente su recuperación es más rápida y fácil que los de tipo Hvorslev.
Por otra parte, el muestreador de pistón fijo Osterberg, no cuenta con un control para la velocidad de ascenso de la muestra y tampoco es posible separar el pistón del tubo muestreador debido a su sistema de vacío. La complejidad de la operación de muestreo y el costo de este tipo de muestreadores, también representan una desventaja para su utilización.
1.2.6.4.3.1 Muestreadores Sueco y tipo Delft
El muestreador Sueco es una versión modificada de los muestreadores de pistón fijo. Fue desarrollado para la obtención de muestras inalteradas continuas y largas en suelos cohesivos blandos (Kjellman, Kallstenius y Pager, 1950).
La reducción de la fricción entre el suelo y el muestreador, se logra revistiendo progresivamente la muestra con cintas delgadas de metal, a medida que avanza el muestreador.
El muestreador Sueco, consiste en una cabeza de corte fabricada con una punta filosa, la cual está fija al extremo inferior del cilindro muestreador. El extremo superior de la cabeza de corte tiene doble pared en donde se almacenan los rollos de cinta. La cinta metálica, pasa a través de una pequeña ranura horizontal localizada encima de la cabeza de corte y están fijas a un pistón ajustable suelto.
Los muestreadores Suecos, se encuentran en dos diámetros diferentes. El muestreador de diámetro 6.8 cm, contiene en su cabeza 16 rollos (30 m) de cinta delgada de acero liviano, de aproximadamente 12.5 mm de ancho, en la cabeza del muestreador, mientras que la presentación de 4.0 cm de diámetro alberga 12 m de cinta. Los espesores de estas cintas metálicas varían entre 0.05 y 0.12 mm. En la figura B.51 se puede observa un esquema de este tipo de muestreador.
Una variante del muestreador Sueco, es el denominado de tipo Delft, con el cual se obtienen muestras de 6.6 cm de diámetro. Este protege la muestra usando una funda plástica tubular. La longitud máxima de las muestras obtenidas es de 19 m. En la figura B.52 se observa un esquema de este muestreador.
TIBERÍA DE PERFORACIÓN CABEZA EXTERNA DEL MUESTREADOR CABEZA INTERNA DEL MUESTREADOR CILINDRO DE PRESIÓN EMBOLO HUECO DEL PISTÓN VENTILACIONES PISTÓN FIJO
INICIO DEL HINCADO
DURANTE EL HINCADO
FINAL DEL HINCADO VÁLVULA CHECADORA DE ESFERA VENTILACIÒN DE AIRE AGUA A PRESIÓN RECIRCULACIÒN DE AGUA PERFORACIÒN INTERNA EMBOLO DEL PISTÓN TUBO DE PARED DELGADA MUESTRA
Figura B.51. Diagrama esquemático de un muestreador Sueco.
CADENA O CABLE DEL PISTON ESTACIONARIO QUE AYUDA DURANTE EL HINCADO DEL MUESTREADOR
TUBERÍA DE PERFORACIÓN
PISTÓN FLOTANTE
CINTA DE LÁMINA METÁLICA QUE SE DESENRROLLA A MEDIDA QUE AVANZA EL MUESTREO.
DEPÓSITO DE LA LÁMINA METÁLICA.
CABEZA DEL MUESTREADOR.
Figura B.52. Diagrama esquemático de un muestreados de suelo continuo tipo Delft. CABLE TUBO DE REVESTIMIENTO DE PLÁSTICO DISPOSITIVO DE CIERRE PARA RETENER LA MUESTRA EN EL TUBO.
NYLON FORRADO Y ALMACENADO EN EL DEPÓISITO
TUBO DE DEPÓSITO
PISTON PEGADO AL CABLE Y FIJO AL DEPÓSITO
Este tipo de muestreadores fueron diseñados para obtener muestras de mayor longitud y relaciones de diámetros, que son requeridas cuando se requiere mayor entendimiento de masas de suelo complejas y heterogéneas, como es el caso de las arcillas estratificadas, o para obtener muestras en arcillas blandas o en turbas.
Operación
La operación del muestreador sueco es similar a la de los demás muestreadores de pistón. A medida que se va hincando el muestreador, el pistón se retrae desde la cabeza del muestreador. En esta, se encuentra una recamara interna de la cual se desenrosca una funda deslizante.
El hincado de este muestreador en el suelo, se hace sin perforación previa a una presión rápida, continua y homogénea.
Durante la operación de muestreo, el pistón se mantiene estacionario en la superficie del terreno para garantizar que la cinta metálica sea empujada a la misma velocidad de penetración del tubo en el suelo.
El muestreador tipo Delft, utiliza un tubo plástico tubular que soporta la muestra de suelo durante el muestreo y se cierra conforme la muestra se almacena en el tubo. De esta forma puede operar con el uso de lechada de bentonita-agua sin que se aumenten los esfuerzos in situ, por el fluido atrapado entre el muestreador y la muestra.
El avance de la perforación, se realiza de manera continua con incrementos de 1.0 m de manera similar al ensayo de penetración con cono (CPT).
Registro de datos
El registro de datos se hará igual que al usar el muestreador Shelby, agregando la velocidad de rotación con que operó el muestreador.
Protección y transporte de muestras
En el numeral 1.2.7, se describen los cuidados que requieren las muestras inalteradas para su conservación y transporte.
Ventajas y desventajas
La utilización de muestreadores de tipo Suelo o Delft, tiene como ventajas que se previene la entrada de escombros y la contaminación de la muestra con suelo de otros estratos durante el muestreo, además de que se incrementa el porcentaje de recuperación. Su diseño especial permite obtener muestras inalterada de diámetros pequeños y gran longitud, sin que la velocidad de hincado afecte la calidad de las mismas (U.S. Army Corp, 2001).
Por otra parte, el uso de zapatas de corte de relación de área mayor, incrementa la