Estos métodos consisten en labrar muestras cúbicas en pozos a cielo abierto, cortes o zanjas, con herramienta manual. Las muestras así obtenidas pueden ser las de menor alteración posible si la operación se hace correctamente, pero el método es poco aplicado por su duración y costo elevado. El equipo empleado puede ser picas, palas, espátula, parafina, tela plástica, brochas y etiquetas de identificación de muestras.
Figura 1. Obtención de muestras cúbicas
Tomada de: Petróleos México, PEMEX, (1976) Especificaciones generales para proyectos de obra, exploración y muestreo de suelos para proyectos de cimentaciones. (p.245) México: Nuevo mundo.
(Para ampliar la imagen haga clic sobre ella)
La operación se inicia limpiando y nivelando el terreno en un área de unos 50 cm de diámetro, luego se marca la sección deseada y se labran los lados de la muestra. Posteriormente, se protege la muestra con parafina y brea para conservar el contenido de humedad (20% brea). Si la muestra es fuerte y rígida puede cortarse el bloque en su base con una pala plana y se cubre con la misma mezcla. Se coloca en una caja y se envía al laboratorio en un medio de locomoción que no produzca excesiva vibración o impactos.
Si la muestra es débil o debe ser transportada en vehículos, se requiere una protección adicional. Un buen método consiste en colocar alrededor del bloque una caja fuerte de madera, transitoriamente sin fondo ni tapa, dejando un espacio con parafina derretida. La caja con la muestra se extrae de la excavación, se vierte parafina en la base y en la parte superior de la muestra; entonces se restituye el fondo y la tapa.
En forma similar pueden emplearse tarros de aceite vacíos. Los recipientes con las muestras deben colocarse en una caja de madera y rodearse con virutas o aserrín para protegerlas durante el transporte.
Se debe hacer un registro detallado de la excavación incluido la estratigrafía y profundidades a las que se toman las muestras. Las etiquetas de identificación se deben fijar en la parte superior de las muestras; orientándolas al norte (PEMEX, 1976).
Estas muestras suelen utilizarse para complementar y confirmar la descripción e interpretación de las características del suelo observadas en campo. Se utiliza la caja Kubiena, cuyas dimensiones varían de acuerdo con el requerimiento del estudio.
Figura 2. Caja Kubiena para la toma de muestras orientadas e inalteradas, dirigidas a los estudios micromorfológicos
Tomada de Hodgson J.M. (1987) Muestreo y descripción de suelos. (p. 229) España: Reverte S.A.
(Para ampliar la imagen haga clic sobre ella)
El procedimiento es relativamente fácil, la muestra debe obtenerse y manejarse de manera que sufra las menores alteraciones posibles. Un método normalizado es el uso de cajas o marcos Kubiena (nombre dado en honor a su creador), las cuales consisten en un pequeño marco metálico rectangular (de latón, aluminio, acero estañado o galvanizado) con dos tapas, superior e inferior, para proteger la muestra.
En un ángulo del marco hay una pestaña que lo mantiene cerrado; levantándola el marco se abre y puede sacarse la muestra con facilidad sin dañarse. El marco puede ser tan grande como lo requiera el estudio en cuestión. Sin embargo, para la mayoría de los trabajos se usan cajas de 4 x 6 x 8 cm.
Para usar el marco Kubiena, se alisa con un cuchillo una superficie en el sitio de donde se va a tomar la muestra. Sin una de las tapas se introduce el marco en el suelo por la cara descubierta, presionando con suavidad sobre la superficie del terreno. A continuación, con un cuchillo afilado, se corta y separa el suelo alrededor del marco produciendo siempre la mínima compresión posible.
En condiciones ideales, la caja no debería forzarse al penetrar el suelo. La caja se presiona levemente hasta introducirla en todo su espesor y se saca excavando cuidadosamente con cuchillo y paleta. A continuación, la muestra se corta nivelándola con el marco, se colocan las dos tapas y se cierra con bandas elásticas o cintas adhesivas resistentes al agua. La orientación de la muestra debe señalarse en el marco con cuidado y sin ambigüedad, donde también se indica el número del perfil, el estrato y la profundidad de forma indeleble.
En la etapa inicial de una investigación de suelos es aconsejable y, en algunos casos, necesario examinar y registrar la estructura del suelo a lo largo de toda la longitud de exploración propuesta antes de decidir el sitio preciso donde deben tomarse muestras inalteradas. Este aspecto es particularmente importante en depósitos de arcillas blandas laminadas, en las cuales pueden abundar pequeñas franjas de limo, arena o turba. En estos suelos puede ser conveniente hacer muestreo continuo mediante el uso de un equipo especializado con el fin de superar el problema de la fricción excesiva asociada con el uso de tubos de muestreo muy largos.
Uno de los equipos es el muestreador sueco de láminas (Kjellman, 1950), el cual permite extraer muestras continuas de 68 mm de diámetro hasta profundidades del orden de 25 m. A medida que se introduce el muestreador en el suelo, se alimentan bandas de láminas de acero, a partir de rollos montados dentro del cabezal del muestreador, con el fin de envolver la muestra y de esa forma disminuir los efectos de la fricción lateral. En la parte superior del muestreador pueden colocarse tubos adicionales a medida que sea necesario. Cuando se retira el muestreador, se separan las extensiones del tubo y la muestra puede cortarse en segmentos de tamaño adecuado para ser transportados al laboratorio.
Otra alternativa de este tipo de muestreo es el sistema Delft, en el cual la muestra se introduce en una bolsa de nylon que ha sido previamente impregnada de un fluido vulcanizado para hacerla impermeable. La muestra se sostiene dentro de la bolsa con un fluido de bentonita y barita de densidad comparable a la del suelo del contorno. El sistema puede utilizarse con diámetros de 29 mm a 66 mm, y a menudo se llega a una penetración máxima de 18 m; aunque en algunos casos ha podido llegarse hasta profundidades de 30 m. Durante la recuperación, la muestra se corta en tramos de aproximadamente 1 m de largo.
Una vez en el laboratorio, las secciones de muestra continua se extraen cortando con cuidado y retirando la envoltura en toda la longitud. Después se inspecciona la muestra, se hace el registro estratigráfico y se deja secar. A menudo, sólo cuando comienza el proceso de secado se muestra con claridad la macroestructura natural, ya que primero se secan las bandas de arena, luego el limo y por último la arcilla. Durante esta etapa se toman fotografías de las muestras de tal manera que pueda tenerse un registro permanente (Berry, P. Reid, D., 1999).
Es casi imposible obtener muestras inalteradas de material no cohesivo para pruebas de resistencia. Sin embargo, muestras de alguna calidad pueden ser obtenidas usando muestreadores de pistón con tubos de pared delgada en arenas finas.
En materiales rocosos y en materiales densos, las muestras tomadas presentan una alteración menor y son obtenidas con suma dificultad. En arenas densas ocurren dilataciones por la combinación de desplazamiento de volumen del muestreador y alguna roca puede estar presente en su límite de corte, lo que da un gran volumen aparente.
Algunos ensayos han sido hechos para recuperar material no cohesivo por congelamiento del suelo, el cual consiste en el proceso de congelar una zona alrededor de la muestra (más no la muestra), o inyectando asfalto que después es disuelto.
Con la recuperación manual se puede obtener una muestra de calidad, pero esto implica sobrecostos por la gran cantidad de mano de obra. Los instrumentos pueden ser usados para recuperar muestras alteradas de una perforación para clasificación visual, tamizado, y la realización de pruebas químicas. Ver figura 3.
Figura 3. Herramientas de muestreo
Tomada de Bowles, J. (1997) Foundation analysis and design. (p. 1175) Singapore: McGraw-Hill.
(Para ampliar la imagen haga clic sobre ella)
El principal uso de las muestras inalteradas de suelos no cohesivos es la obtención del peso unitario o la densidad relativa Dr. No existe una técnica específica para llevar la muestra de suelo no cohesivo del tubo muestreador a una prueba de laboratorio sin que ésta sufra alteraciones.
En conclusión, la recuperación de muestras de suelo no cohesivo es casi imposible, el cálculo de la densidad, la resistencia y compresibilidad son obtenidos de la prueba de penetración u otros métodos directos. (Bowles, J., 1997)