ensayos mecanica de suelos
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Ensayo de Consolidación
I. INTRODUCCIÓN.
El ensayo de consolidación, también llamado ensayo de compresión
confinada, es de gran importancia, debido a que la consolidación es un
problema natural de los suelos finos, como arcillas y limos, y todas las
edificaciones fundadas sobre este tipo de suelo enfrentarán este fenómeno.
Por lo anterior es de vital importancia conocer la velocidad de asentamiento
total y diferencial de la estructura. La consolidación es el proceso de
asentamiento de los suelos antes mencionados, cuando están saturados y
sujetos a incrementos de carga debido a la disipación de la presión de poros.
Todo lo anterior se refleja en los resultados obtenidos a partir del ensayo, el
cual entrega la curva de esfuerzo deformación, la presión de preconsolidación y
el coeficiente de consolidación. El ensayo de consolidación es un ensayo
bastante complicado debido a que tiene un complejo procedimiento, en el cual
debemos ver cómo va variando el volumen del suelo al aplicar la carga, con
una duración de dos semanas aproximadamente, aunque en nuestro caso se
verá una forma simplificada del ensayo, ya que por motivos de tiempo y
espacio en el laboratorio no se podrá hacer completo.
II.- RESUMEN.
Al someter una masa de suelo saturado a un incremento de carga, ésta esta
soportada inicialmente por el agua contenida en los poros, ya que ella es
incompresible en comparación con la estructura del suelo. La presión que
resulta en el agua a causa del incremento de la carga es llamada exceso de
presión hidrostática. A medida que el agua drena de los poros del suelo, el
incremento de carga es transmitido a la estructura del suelo. La trasferencia de
carga es acompañada por un cambio de volumen del suelo igual al volumen de
agua drenada. Este proceso es conocido como consolidación.
Este es un proceso que tiene un tiempo acotado de ocurrencia, comienza
cuando se aplica el incremento de carga, y finaliza cuando la presión de los
poros es igual a la hidrostática, o lo que es lo mismo, cuando se ha producido
la totalidad de la transferencia de carga del agua a la estructura de suelo.
Terminando este proceso llamado consolidación primaria, el suelo continúa
deformándose, aunque en menor magnitud, debido a un reacomodamiento de
los granos. A este último proceso se lo denomina consolidación secundaria.
El asiento total, suponiendo que el último valor medido coincide con el
momento en que desaparece toda la sobrepresión intersticial creada al aplicar
la carga, es una medida de la deformación del esqueleto del suelo. Si se
realizan varios escalones de carga, se obtendrá una curva de compresibilidad.
Que relaciona la presión efectiva (en escala logarítmica) con la deformación del
esqueleto mineral, expresada por el índice de poros o relación de vacios.
El propósito fundamental del ensayo de consolidación es determinar ciertos
parámetros que se utilizan para predecir la velocidad y la magnitud del
asentamiento de estructuras fundadas sobre arcillas. Además, el ensayo
permite obtener información acerca de la historia de presiones a que ha sido
sometido el suelo.
III.- OBJETIVOS.
2.1.-Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario
para realizar el ensayo de consolidación, aprendiendo las características de
cada uno, y los cuidados que se deben tomar para realizar la experiencia.
2.2.-Interpretar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos,
de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado.
2.3.-Evaluar asentamientos por consolidación.
2.4.-Estimar velocidad del asentamiento (tiempo).
2.5.-Conocer la magnitud y rapidez de los cambios de volumen de una muestra
al ser sometida a un ensayo de consolidación.
2.6.-Construir las curvas de consolidación y establecer los puntos importantes a
través del método de Casagrande, para la determinación de las características
de compresibilidad del suelo y rapidez de consolidación.
IV.- MARCO TEORICO.
La consolidación es la disipación del exceso de presión de poro debido al
flujo de agua hacia el exterior.
Este ensayo se encuentra estandarizado por la ASTM D-2435.
La consolidación es el proceso de asentamiento de arcillas saturadas cuando
están sujetas a incrementos de cargas debido a la disipación de la presión de
poros. Como podemos apreciar los parámetros obtenidos con ese ensayo son
muy importantes para la estimación de la magnitud y velocidad de
asentamiento total y diferencial de una estructura o relleno, es por esto que
estos parámetros son de gran importancia en cualquier tipo de construcción.
Los parámetros más importantes que se obtienen del suelo al realizar el
ensayo son:
El coeficiente de consolidación CV, que indica el grado de asentamiento del
suelo bajo un cierto incremento de carga y vinculada a la velocidad del mismo.
El índice de compresibilidad CC, que expresa la compresibilidad de una
muestra.
La presión de preconsolidación PC, que indica la máxima presión que ha
soportado el suelo en su historia geológica.
En campo, cuando el esfuerzo sobre un estrato de arcilla saturada se
incrementa; por ejemplo, por la construcción de una cimentación, por la presión
del agua de poro en la arcilla se incrementará. Debido a que la permeabilidad
de las arcillas es muy pequeña, se requerirá algún tiempo para que el exceso
de presión del agua de poros se disipe y el incremento del esfuerzo se
transfiera a la estructura del suelo.
Se define como consolidación la deformación plástica debida a reducción
en la relación (generalmente llamada asentamiento) la cual es función del
tiempo y el exceso de presión de poros.
Consolidación inicial: Reducción casi instantánea en el volumen de la masa
de un suelo bajo una carga aplicada, que precede a la consolidación primaria,
debida principalmente a la expulsión y compresión del aire contenido en los
vacios del suelo.
Consolidación primaria: Reducción en el volumen de la masa de un suelo
originada por la aplicación de una carga permanente y la expulsión del agua de
los vacios, acompañada por una transferencia de carga del agua a las
partículas sólidas del suelo.
Consolidación secundaria: Reducción en el volumen de la masa del suelo,
causada por la aplicación de una carga permanente y el acomodo de la
estructura interna de su masa luego de que la mayor parte de la carga ha sido
transferida a las partículas sólidas del suelo.
Figura Nº 01: Principios de consolidación
TEORÍA DE TERZAGHI PARA LA CONSOLIDACIÓN
Terzaghi en 1923 publicó la ecuación diferencial fundamental para el proceso
de consolidación.
En 1924 presentó su teoría de "consolidación de arcillas" (para la cual también
usaba el nombre de "teoría de esfuerzos hidrodinámicos"), en el Primer
Congreso Internacional de Mecánica Aplicada, en Delft, Holanda.
En mayo de 1926 construyó un aparato de consolidación en miniatura, equipo
para realizar ensayos de suelos, el cual fue utilizado en el M.I.T.
Terzaghi propuso el modelo mostrado en la figura para ilustrar el proceso de
consolidación, lo cual se conoce como analogía mecánica de Terzaghi. El
mismo consiste en un recipiente cilíndrico lleno de agua, con un resorte dentro
y sobre el pistón con una válvula. El resorte representa el esqueleto mineral de
un suelo y el agua sería el agua intersticial del suelo. Se supone que el pistón
sin fricción es soportado por el resorte. Al aplicar una carga al pistón con la
válvula cerrada, la longitud del resorte permanece invariable, puesto que el
agua se considera incompresible. Si la carga introduce un aumento de la
presión total, entonces la totalidad de este aumento debe ser absorbido por un
aumento igual de la presión del agua. Cuando se abre la válvula, el exceso de
presión de agua en la cámara causa el flujo de ésta hacia afuera, la presión
disminuye y el pistón se hunde a medida que se comprime el resorte, En esta
forma, la carga se transfiere en forma graduada al resorte, reduciendo su
longitud, hasta que toda la carga es soportada el mismo. Por consiguiente, en
la etapa final, el aumento de la presión efectiva es igual al aumento de la
presión total, y el exceso de presión de agua se reduce a cero. La velocidad de
compresión depende del grado de apertura de la válvula, esto es análogo a la
permeabilidad del suelo.
Si el estrato que consolida es libre de drenar por sus caras superior e inferior,
el mismo es llamado capa abierta, y su espesor se denota por 2H. Si el agua
sólo puede escapar a través de una superficie, el estrato es llamado
semiabierto. El espeso del los estratos semiabiertos se denota por H. Ambos
caos se muestran en la figura.
Figura Nº 02: Analogía Mecánica de Terzaghi
Figura Nº 02: Variación de la presión de poros en función del tiempo
TEORÍA DE TERZAGHI PARA LA CONSOLIDACIÓN VERTICAL:
Considérese un depósito de suelo homogéneo, saturado de longitud lateral
infinita y cometido a una carga uniforme que aplicada en toda el área
superficial. El suelo reposa sobre una base impermeable y drena libremente
por cara superior. La disipación del exceso de presión de poros en cualquier
punto solo se producirá mediante el flujo del agua intersticial en sentido vertical
ascendente hacia la superficie.
vz=.Es la velocidad vertical del flujo que entra en el elemento.
vz+∆z=¿¿ Es la velocidad vertical el flujo que sale del elemento
Si se aplica el Teorema de Taylor, se tiene.
……(1)
Puesto que ∆ z es muy pequeño, puede suponerse que los términos de
segundo orden y de orden superior son insignificantes, por lo tanto.
Figura Nº 03: Consolidación vertical de una capa de suelo
…… (2)
A partir del principio de continuidad del volumen se tiene que:
Entonces:
…… (3)
Donde A es el área plana del elemento y V es el volumen. Por tanto:
…… (4)
VI.- ENSAYO DE CONSOLIDACION.
Cuando se somete un suelo a un incremento en presión (o carga), ocurre
un reajuste da la estructura del suelo que podría considerarse primeramente
como una deformación plástica correspondientes a una reducción en la relación
de vacios. Puede producirse también una pequeña cantidad de deformación
elástica peor considerando la magnitud de las cargas involucradas y el hecho
de que el módulo de elasticidad de los granos de suelo sea del orden de
20mpa de la deformación elástica es despreciable.
Cuando se aplica una carga a un suelo de grano grueso completamente seco,
parcial o completamente saturado, o cuando la carga se aplica a suelo seco, el
proceso de deformación plástica con reducción en la relación de vacios tiene
lugar en un periodo de tiempo tan corto que es posible considerarlo como
instantáneo. Esto puede explicarse en suelos secos por el hecho de que el aire
tiene poca viscosidad y es muy fácilmente comprimido; se esa forma los sólidos
no presentan ninguna resistencia al flujo hacia fuera del fluido de los poros, a
medida que lo vacios del suelo se reducen.
En el caso de un suelo de grano saturado o parcialmente saturado, el
coeficiente de permeabilidad “” es suficientemente grande para que el agua
de los poros también pueda salir casi instantáneamente.
Cuando se aplica una carga a un suelo de grano fino saturado parcial o
totalmente el tiempo para lograr la deformación plástica y la reducción en la
relación de los vacios es mucho mayor, y para este proceso dependerá de
varios factores entre los cuales los principales son:
Grado de saturación
Coeficiente de permeabilidad del suelo.
Las propiedades del flujo de los poros.
La longitud de la trayectoria que debe recorrer el fluido expulsado de la
muestra para encontrar equilibrio.
El ensayo del laboratorio es unidimensional por el hecho de que con un anillo
metálico para confinar la muestra, no se permite flujo o movimiento de agua en
un sentido lateral. Todo el flujo de agua sucede en un sentido vertical. En el
terreno ocurre algo de movimiento lateral de agua y algo de movimiento lateral
del suelo.
EL en ensayo de consolidación en el laboratorio se hace sobre una muestra
que tiene entre 20 y 40mm de espesor colocada en un anillo de metal
confinante de diámetro entre 45 y 113mm (100cm2). Existe dos tipos de anillos
el fijo y el flotante, el fijo facilita la medición del coeficiente de permeabilidad.
La relación diámetro/altura debe ser >2.5
I. MATERIALES
1 Muestra
2 Pie de rey
3 Anillos metálicos
4 Consolidometro
5 Micrómetro
6 Pesas
7 Balanza
VII.- PROCEDIMIENTO
La prueba de Consolidación Estándar consiste en comprimir verticalmente una
muestra de suelo en estudio, confinándola en un anillo rígido. El suelo está
sujeto a un esfuerzo en sus dos superficies planas; toda deformación ocurre en
el eje vertical, las deformaciones elástica y cortante son insignificantes debido a
que toda la superficie de la muestra se carga y no permite deformación lateral.
Los esfuerzos se aplican siguiendo una secuencia de cargas normalizadas o
establecidas previamente, las cuales estarán de acuerdo al nivel de cargas que
el suelo en estudio soportará en el futuro. En todos los casos y para cada
incremento de carga la muestra sufre una primera deformación correspondiente
al retraso hidrodinámico que se llama consolidación primaria y también sufre
una deformación adicional debido a un fenómeno secundario.
Teóricamente es factible el fenómeno de consolidación cuando la muestra está
saturada, sin embargo, la práctica se admite que también se genera un proceso
similar en masas de suelo que no están 100% saturadas y por lo tanto, para
estos casos se aplica también la teoría de la consolidación, teniendo presente
que se trata sólo de una interpretación aproximada y que las conclusiones
finales deben darse en base a las propiedades físico-químicas y límites de
consistencia, acompañadas de una buena descripción de campo.
LOS PASOS REALIZADOS EN EL LABORATORIO FUERON LOS SIGUIENTES:
1) Tallamos la muestra usando el anillo y un cuchillo
2) Pesamos el anillo
3) Pesamos luego el anillo más suelo húmedo
4) Posteriormente colocamos la Muestra en el consolidometro
antes de cual primero empezamos a colocar los componentes
de mismo echando primero vaselina alrededor de estos para
puedan ingresar.
5) Luego de colocada la muestra ejercemos un carga generada por las
pesas ubicadas en la parte inferior del consolidometro .
Tomamos lectura del micrómetro cada 6,15,30 segundos luego cada
1,2,4,8,15,30,60 y 120 minutos
VIII .- CONCLUSIONES
1. Se conocieron equipos y materiales para realizar en ensayo de
consolidación.
2. Se obtuvieron los asentamientos y se calcularon los datos
3. Se realizaron los gráficos de acuerdo a los valores calculados
Consolidación(Resumen de datos Y Cálculos)
SONDEO: C-1PROFUNDIDAD
: 1.10m
EDOMETRO: 165
Hs= 14.07m H1=23.20mm e1=0.649
Presión (P) (kg/cm2)
Lectura del Manómetro (mm)
Deformación (mm)
Corrección por Compresión
(mm)
Deformación Corregida
(δ/mm)δ/Hs
Relación de Vacíos e=e1-
δ/Hs
3.039
0.25 3.264 0.226 0.019 0.207 0.0147 0.6343
0.50 3.415 0.376 0.032 0.344 0.0244 0.6246
1.00 3.595 0.556 0.052 0.504 0.0358 0.6132
2.00 3.776 0.737 0.077 0.660 0.0469 0.6021
4.00 3.963 0.924 0.103 0.821 0.0584 0.5906
1.00 3.873 0.834 0.104 0.730 0.0519 0.5971
0.50 3.830 0.791 0.093 0.698 0.0496 0.5994
0.25 3.806 0.767 0.084 0.683 0.0485 0.6005
0.00 3.735 0.696 0.061 0.635 0.0451 0.6039
ENSAYO DE
COLAPso
I.- SUELOS COLAPSABLES
Los suelos colapsables son aquellos sin saturar en los cuales se produce un reacomodo radical de las partículas y una gran pérdida de volumen por remojo con o sin carga.
La existencia de estos suelos en el mundo y las dificultades ocasionadas a las edificaciones cimentadas sobre ellos han sido reconocidos ampliamente.
Tipos de Suelos Colapsables
Los depósitos más extensos de suelos colapsables son eólicos o depósitos transportados de arena y limos (loess). Se incluye llanuras de avenidas aluviales, abanicos, flujos de lodo, depósitos coluviales, suelos residuales y tufos volcánicos que pueden producir suelos colapsables.
En la mayoría de los casos los depósitos se caracterizan por ser estructuras sueltas de granos gruesos, frecuentes en tamaño de limos a arena, en la Fig N° 1 se presentan estructuras típicas de suelos colapsables.
a) Depósitos eólicos.- Estos depósitos consisten en materiales transportados por el viento, el cual forma dunas, depósitos tipo loess, playas eólicas y grandes depósitos de ceniza volcánica.
b) Depósitos transportados por agua.- Consisten principalmente de depósitos de sedimentos sueltos a carreados por el agua, los cuales forman abanicos fluviales y flujos deslizantes. Estos materiales pueden ser depositados por una avenida repentina o flujo de lodo derivado de pequeñas cuencas colectoras, sujetas a aguaceros poco frecuentes.
c) Suelos residuales.- Estos suelos son producto del intemperismo y la desintegración y alteración mecánica de rocas madres. Las partículas de material residual pueden variar de tamaño, de grandes fragmentos de gravas a arenas, limos, coloides y en algunos casos material orgánico.
La estructura del grano colapsable se ha desarrollado como producto de la acción disolvente sobre el material soluble y coloidal. La lixiviación del material soluble y del material fino conduce a una alta relación de vacíos y a una estructura inestable.
Otro tipo de suelo que muestra colapso al remojo son aquellos derivados de tufo volcánico, sulfato de calcio, arenas sueltas cementadas por sal soluble, arcillas dispersivas y arcillas montmorilloníticas ricas en sodio.
II. CAUSAS DEL FENOMENO
- Estructura parcialmente saturada potencialmente inestable.
- Una componente de esfuerzo aplicado o existente, lo suficientemente alta para desarrollar una condición metaestable.
- Un ligante resistente o un agente cementante para estabilizar contactos intergranulares, el cual se reduce por remojo ocasionando el colapso. La mayoría de suelos colapsables involucra la acción de partículas arcillosas en los enlaces entre los granos gruesos de arena
Agentes cementantes tales como: óxido de hierro, carbonato de calcio, o la soldadura de granos en contacto, proporcionan esfuerzos resistentes para muchos suelos colapsables. La acción de este cementante es frecuentemente el agente principal de colapso en loess. El grado al cual el agente cementante pierde su efectividad depende del grado de contaminación, del ingreso del agua y del grado de disolución del agente cementante involucrado.- Un incremento en la carga podría aumentar este efecto; también una elevación en la
presión sobre el suelo incrementaría el grado de disolución, el cual podría producir un incremento retardado en la consolidación. Sin embargo, cualquiera que sea la base física del esfuerzo ligante, todos los suelos colapsables son debilitados por la adición de agua. Un colapso es más inminente cuando los granos son mantenidos juntos por succión capilar, siendo lento en el caso de cementante químico y mucho más lento en el caso de arcillas.
Reconocimiento del Problema en Campo y Laboratorio
Un ingeniero geotécnico debe saber identificar fácilmente los suelos que pudieran colapsar y determinar la cantidad de colapso que puede ocurrir. Los depósitos de suelos más probables a colapsar son:
a) Terraplenes o rellenos sueltos.b) Arenas alteradas transportadas por el viento.c) Lavado de colinas de consistencia suelta.
d) Granito descompuesto u otra roca ígnea ácida.
Gibbs (1963) ha propuesto el uso de la densidad seca natural y el límite líquido como criterio para predecir el colapso. Su método está basado en la premisa de que un suelo que tiene suficientes espacios vacíos para retener una humedad equivalente a su límite líquido en saturación, es susceptible de colapsar en estado sumergido. Los suelos cuyas densidades han sido graficada sobre la línea mostrada en la Fig. N° 2, se encuentran en condición suelta y cuando estén
III.- ENSAYOS DE COLAPSO EN EL LABORATORIO
Equipo
Los aparatos serán de acuerdo a los requerimientos del ensayo de consolidación unidimensional ASTM D2435.
Los discos porosos y papel filtro que cumpla el requerimiento del ensayo de consolidación.
Preparación de la muestra e instalación
La muestra debe ser relativamente inalterada. Para determinar el potencial de colapso (Ic), las muestras deben ser tomadas utilizando método secos como son: el barreno de doble y bloques extraídos manualmente. Cortar el suelo de acuerdo con las dimensiones del anillo del ensayo de consolidación unidimensional.
Determinar sus propiedades físicas, tales como humedad natural, peso, volumen, gravedad específica de sólidos, límites de consistencia, distribución granulométrica, según las normas.
Procedimiento del ensayo de colapso
Instalar la muestra en el anillo del consolidómetro después de haber determinado el peso inicial de la masa húmeda y altura de la muestra y fijar el conjunto anillo-muestra en el consolidómetro.
Aplicar una carga de contacto 0.05 kg/cm2 (5 Kpa), después de 5 min tomar lectura del deformímetro, aplicar incrementos de carga a cada hora, hasta que se aplique la presión vertical apropiada. Los incrementos de carga serán 0.12, 0.25, 0.50, 1.00, 2.00, etc Kg/cm2. (12, 25, 50, 100, 200, etc) o cargas de acuerdo al método de ensayo ASTM D2435, registrar la deformación antes de incrementar una nueva carga.
El esfuerzo que se aplicará al suelo para evaluar el colapso dependerá de que si el potencial de colapso (Ic) o índice de colapso (Ie) determinado es apropiado para el caso estudiado.
El potencial de colapso (Ic) es la magnitud de colapso relativa del suelo, determinado para cualquier presión vertical.
El índice de colapso (Ie) es la magnitud de colapso relativa del suelo determinado bajo una presión de 2 kg/cm2 (200 Kpa).
Después de aplicar la carga vertical apropiada, por el tiempo de 1 hora, inundar la muestra con agua desairada y destilada, registrar las deformaciones vs tiempo para un ciclo de lecturas de 0.1, 0.25, 0.50, 1, 2, 4, 8, 15 y 30 min, 1, 2, 4, 8, 24 h. o según el ensayo ASTM D2435.
Continuar el ensayo según procedimiento del método de ensayo de consolidación unidmensional D2435. La duración de cada incremento de carga en el estado inundado será de 24 h o hasta que la consolidación primaria sea completa. En la Fig. N° 3 se presenta un resultado típico del ensayo de colapso.
c
IV.- PROCESO DE CALCULO
Determinación del potencial de colapso.
d dI = f i
ho
x 100
donde: di = lectura del dial con el esfuerzo adecuado antes de la saturación (mm.)df = lectura del dial bajo el esfuerzo adecuado después del humedecimiento (mm.) ho = altura inicial de la muestra (mm.)
Puede ser evaluado en términos de relación de vacíos:
donde:
∆e= cambio de relación de vacíos bajo el esfuerzo adecuado antes y después de la inundación.eo = relación de vacío inicial
La evaluación de un suelo colapsable será de acuerdo a la siguiente tabla:
Indice de colapso Ie (%)
Grado de colapso
0 Ninguno
0.1 - 2.0 Leve
2.1 - 6.0 Moderado
6.1 - 10.00 Moderamente severo
> 10 Servero
V.- LABORATORIO
INFORME : --------
SOLICITANTE : --------
PROYECTO : --------
UBICACION : --------
FECHA : --------
Sondaje : SG - 01 Fecha de inst. : 12 de Abril de 2002
Muestra Profundidad (m)
: --- Clasificación : ML
: 1.20 - 1.80 Estado : Inalterado
ETAPA SIN AGUA
Carga Aplicad
a ( Kg/cm²)
Lectura Final (mm)
Asent.
(mm)
Altura Promedio (mm)
Altura Drenada (mm)
Densidad Seca (g/cm³)
Relación de
Vacíos (e)
Deformación Vertical
(%)
0.00 11.950 0.00 19.00 9.50 1.419 0.974 0.0
0.10 11.865 0.08 18.92 9.46 1.425 0.965 0.4
0.20 11.790 0.16 18.84 9.42 1.431 0.957 0.8
0.40 11.710 0.24 18.76 9.38 1.437 0.949 1.3
0.80 11.595 0.35 18.65 9.32 1.446 0.937 1.9
1.60 11.398 0.55 18.45 9.22 1.461 0.916 2.9
CURVA DE COLAPSO1.20
RESULTADOS e = 0.614
Colapso = 31.09 %
1.00
0.80
e
0.60
0.40
0.20
0.00
0.1 Carga Aplicada (Kg/cm²) 10.0
ETAPA CON AGUA
Carga Aplicada ( Kg/cm²)
Lectura Final (mm)
Asent.
(mm)
Altura Promedio
(mm)
Altura Drenada
(mm)
Densidad Seca
(g/cm³)
Relación de
Vacíos (e)
Deformación Vertical
(%)
1.60 5.490 6.46 12.54 6.27 2.149 0.303 34.0
3.20 5.000 6.95 12.05 6.03 2.237 0.252 36.6
VI.- CONCLUSIONES Y REFERENCIAS
- El colapso de los suelos es la disminución moderada de volumen cuando está con bajo contenido de humedad y una gran pérdida cuando está sumergido.
- La magnitud de asentamiento depende del contenido de humedad del suelo. En estado sumergido y bajo la aplicación de cargas verticales los suelos colapsables presentan un mayor asentamiento.
- Los suelos colapsables existen en todo el mundo principalmente en la regiones áridas y semiáridas. Los depósitos eólicos, coluviales, residuales, tubos volcánicos, etc. son suelos que pueden ser colapsables.
- En muchos casos los suelos colapsables no son detectados durante la inicial investigación. Mayor investigación sobre la existencia de estos suelos y los métodos de tratamiento son necesarios.
REFERENCIAS
1. ASTM D5333-92 (Reaprobado 1996) "Measurement of Collapse Potential of Soils"
2. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1980 "Design Considerations for Collapsible Soils".
PRUEBAS DE CAMPO DE
PENETRACION ESTANDAR
Standard Penetration Test - ASTM D 1586
I.- INTRODUCCION.
Los suelos colapsables son aquellos sin saturar en los cuales se produce un reacomodo
radical de las partículas y una gran pérdida de volumen por remojo con o sin carga.
La existencia de estos suelos en el mundo y las dificultades ocasionadas a las
edificaciones cimentadas sobre ellos han sido reconocidos ampliamente.
Las pruebas de campo adquieren una gran importancia en los suelos muy susceptibles
a la perturbación y cuando las condiciones del terreno varían en sentido horizontal y
vertical. El método de prueba in situ más ampliamente utilizado es el de penetración.
El SPT (standard penetration test) o ensayo de penetración estándar, es un tipo de
prueba de penetración dinámica, que es empleado para realizar ensayos en terrenos
que se requiere realizar un reconocimiento geotécnico.
II.- OBJETIVOS DEL ENSAYO S.P.T.
- Determinar la Compacidad y la Capacidad de Soporte del suelo no cohesivo- Tomar muestras representativas del suelo- Hallar correlación entre:
El número de golpes, N, medido y la compacidad φ y la resistencia a la compresión simple por medio de tablas o ábacos
ya existentes
III.- PRINCIPIO DEL ENSAYO
El ensayo SPT se realiza en el interior de sondeos durante la perforación, consiste básicamente en contar el número de golpes (N) que se necesitan para introducir dentro de un estrato de suelo, un toma muestras (cuchara partida hueca y cilindrica) de 30 cm de largo, diámetro exterior de 51mm e interior 35mm, que permite realizar tomas de muestra naturalmente alterada en su interior, a diferentes profundidades (generalmente con variación de metro en metro).
El peso de la masa esta normalizado, así como la altura de caída libre, siendo éstos respectivamente 63.5 kg y 76.2 cm.
Este ensayo se realiza en depósitos de suelo arenoso y de arcilla blanda; no es recomendable llevarlo a cabo en depósitos de grava, roca o arcilla consolidada, debido a los daños que podría sufrir el equipo de perforación al introducirlo dentro de dichos estratos.
IV.- EQUIPO:
Pesa 63.5 kg con una altura de caída de 76.2 cm Barras y brazos de perforación Toma muestra o tubo partido con las siguientes dimensiones:
- Largo: 50 cm- Diámetro exterior: 51 mm- Diámetro interior: 35 mm- Peso total 70N (16 lb.)
Trípode de carga Flexómetro Fundas de plástico Tarjetas de identificación
V.- PROCEDIMIENTO:
El método de Penetración Estándar es el más ampliamente usado para la exploración de suelos, y comprende dos etapas:
EL SONDEO:
Consiste en hacer una perforación con barreno, inyección de agua o sondeo rotatorio usando un taladro con movimientos de rotación de alta velocidad y circulando agua para extraer los detritos.
En los suelos firmes el sondaje se mantiene abierto por la acción del arco del suelo; en las arcillas blandas y en las arenas situadas debajo del nivel freático, el sondaje se mantiene abierto hincando un tubo de acero (tubo de entibado o camisa).
Penetrómetro en el barreno utilizado como camisa de revestimiento
EL MUESTREO:
Se realiza el sondeo hasta la profundidad establecida, y a continuación se lleva al fondo de dicha perforación una cuchara normalizada que se hinca 15 cm
(6’’). en la capa a reconocer, a fin de eliminar la zona superficial parcialmente alterada, por efectos del procedimiento utilizado durante la ejecución del sondaje.
Se hace una señal sobre el varillaje y se cuenta el número de golpes (N) necesarios para hincar de nuevo la cuchara, la profundidad de 30 cm (12’’). Utilizando la pesa de 63.5 kg con una altura de caída de 76.2 cm.
Entonces el parámetro medido será: N=N1+N2, donde:
N1: Es el número de golpes necesarios para hundir el toma muestras 15cm.
N2: Es el número de golpes que se necesita para hundir los 15 cm. restantes del toma muestras.
Si por algún motivo el número de golpes necesarios para hincar cualquier intervalo de 15 cm es superior a 50, entonces el resultado del ensayo deja de ser la suma que se indica anteriormente para convertirse en RECHAZO, teniéndose que anotar la longitud hincada en el tramo en el cuál se han alcanzado los 50 golpes. El ensayo se da por finalizado cuando se alcanza este valor.
Finalmente se abre la cuchara partida y se toma la muestra de su interior, para realizar los ensayos correspondientes, (contenido de humedad, granulometría, límites de consistencia, peso específico).
Las muestras recuperadas en el penetrómetro que mantienen su forma cilíndrica pueden ser usadas para pruebas de compresión sin confinamiento.
Se recomienda que las muestras recuperadas del suelo se introduzcan en unos recipientes herméticos, en los que se fijaran unas etiquetas donde mencionen: localización, denominación del sondeo, fecha, numero de muestra, profundidad de ensayo, resistencia a la compresión del terreno.
VI.- CALCULOS:
El valor de N (Número de golpes necesarios para hincar un toma-muestras de 30 cm. de longitud en un estrato de suelo, una profundidad que generalmente varía de metro en metro) se determina sumando los valores de N1 + N2, entonces:
N=N1+N2
Donde:
N1: Número de golpes necesarios para hincar el toma-muestras 15cm.
N2: Número de golpes necesarios para hincar el toma-muestras otros 15 cm.
A partir del N del ensayo S.P.T. se pueden determinar la Resistencia a la Penetración y la Presión Admisible.
- Resistencia a la Penetración:Rp=Nx 4
- Presión Admisible:
σ adm=N8kg /cm2
- En nuestra práctica el valor de la resistencia a la compresión simple qu es:
σ adm=(N 1+N 2+N 3)
8kg /cm2
Otro parámetro que se puede determinar a partir del N obtenido y de la clasificación posterior del suelo, es el Grado de Compacidad en caso de suelos arenosos y la consistencia en caso de suelos arcillosos, esto mediante tablas que relacionan los mencionados valores:
COMPACIDAD(Suelo Granular)
Grado deCompacidad
N (S.P.T.)
Resistencia aLa PenetraciónEstática
φ
Muy suelta < 0.2 < 4 < 20 < 30
Suelta 0.2 – 0.4 4 – 10 20 – 40 30 – 35
Compacta 0.4 – 0.6 10 – 30 40 – 120 35 – 40
Densa 0.6 – 0.8 30 – 50 120 – 200 40 – 45
Muy Densa > 0.8 > 50 > 200 > 45
CONSISTENCIA(Suelos Cohesivos)
N(S.P.T.)
qu (kg/cm2)Resistencia a laCompresión Simple
Muy blanda < 2 < 0.25Blanda 2 - 4 0.25 – 0.50Mediana 4 - 8 0.5 – 1Compacta 8 - 15 1 – 2Muy compacta 15 - 30 2 – 4Dura > 30 > 4
INFLUENCIA DEL NIVEL FREATICO: La cuchara normalizada, puede variar en la arena fina, según la situación del nivel freático.
Si llamamos N’ al número de golpes registrados en un ensayo realizado por debajo del nivel freático, el valor equivalente N que debe considerarse en el cálculo que está dado por la expresión siguiente debida a Terzaghi y Peck.
N=15+ 12
(N '−15 )
CAUSAS DEL ERROR.- es evidente que las relaciones anteriormente señaladas solamente son aproximadas. En efecto, pueden influir en los valores de N muchos factores y particularmente:
El estado de la superficie inferior y exterior de la cuchara, que si están oxidadas o abolladas pueden modificar considerablemente el rozamiento en las capas atravesadas.
La posición del nivel freático respecto del ensayo. La forma y la superficie de los orificios o ventanas de expulsión del
agua. La posición relativa del fondo del taladro con respecto al límite inferior
del entubado al comienzo de la hinca. El tiempo transcurrido entre la perforación del taladro y la ejecución del
ensayo SPT propiamente dicho. Por último, la flexibilidad del varillaje que absorbe una parte de la
energía. En el caso de sondeos muy profundos, Camnefort ha propuesto eliminar este inconveniente utilizando en la hinca una destiladora.
Entre los factores importantes que pueden afectar a los resultados del SPT, Fletcher señala además:
La variación de altura de caída de la maza. El empleo de varillaje más pesado que el previsto. La elevada longitud de varillaje (por encima de 15 cm.). La caída libre de la masa obstaculizada por cualquier causa. El descuido en el número de golpes o en la medida de la penetración.
Es fundamental no sobre valorar la significación del calificativo Standard. Efectivamente, las características de los aparatos no son uniformes en los distintos países, e incluso dentro de un mismo país, como en Estados Unidos o en el Brasil, por ejemplo donde hay varios tipos de SPT.
VII.- APLICACIÓN:
Este ensayo tiene como principal utilidad la caracterización de suelos granulares (arenas o gravas arenosas) en las que se hace muy difícil o imposible obtener muestras inalteradas para los ensayos en el laboratorio.
El valor de los golpes obtenidos en un ensayo de penetración es un dato indicativo de la consistencia que posee un terreno susceptible de su utilización para la caracterización o diseño geotécnico.
Cuando el terreno que se estudia es grava, la cuchara no puede hincarse en el terreno, pues se dobla, por lo que usualmente su sustituye por una punta maciza de la misma sección (no normalizada). Por ende en éste caso el ensayo no proporciona muestra y el golpeteo que se obtiene debe corregirse dividiendo por un factor que se considera del orden de 1.5.
La frecuencia habitual para la realización del SPT a lo largo del sondeo es de un ensayo de 2 a 5 metros, o incluso mayor, en función de las características del terreno.
VENTAJAS
Se obtiene suelo y un número. Sencillo y de bajo costo. Funciona en muchos tipos de suelo. Se puede utilizar en rocas blandas. Disponible en todo el mundo.
DESVENTAJAS
Muestra alterada (solo para caracterización) Número muy crudo para el análisis. No aplicable en arcillas blandas y limos. Variabilidad e incertidumbre.
VII.- EJEMPLO DE APLICACION
Con los siguientes datos obtenidos de un ensayo S.P.T., determinar:- El número de golpes N- La resistencia a la penetración- La presión admisible del suelo y el grado de compacidad.
Con los valores de N obtenidos del S.P.T. obtengo un diagrama graficando dichos valores y uniendo los puntos que estos generan con líneas.
En el diagrama, podemos observar que existen dos partes diferentes bien definidas. A partir de esta consideración existen dos estratos, cada uno con diferente grado de compacidad. El N promedio para cada estrato es precisamente el promedio de los diferentes valores de N obtenidos para cada profundidad.
Seguidamente determinar el Grado de Compacidad de cada estrato mediante la tabla que corresponde a la relación existente entre este parámetro y el N del S.P.T.
25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Z vs N
La resistencia a la penetración se puede calcular como se mencionó anteriormente, con la siguiente expresión:
Rp=Nx 4Finalmente obtenemos la Presión Admisible, que se puede calcular
mediante la expresión anteriormente mencionada:
σ adm=N10
Z(m)
N(S.P.T.) 10 20 30 40 50
N promedioEstrato
Grado deCompacidad
Rp(kg./ cm2)
σ adm(kg./ cm2)
Tipo deSuelo
Símbolo
1 39
35 0.65
156 3.9 SP-SM
2 32 128 3.2 SP-SM
3 35 140 3.5 SP-SM
4 43
44 0.74
172 4.3 SP-SM
5 44 176 4.4 SP-SM
6 46 184 4.6 SP-SM
7 42 168 4.2 SP-SM
8 43 172 4.3 SP-SM
IX.- CONCLUSIONES
El ensayo de penetración estándar es una herramienta útil y practica para determinar la capacidad de soporte del suelo. La capacidad de soporte es utilizada en el dimensionamiento de los cimientos de una estructura. Además de obtener la capacidad de soporte, el ensayo permite obtener muestras de suelos para la realización de otros ensayos que permiten cuantificar la propiedad índice y de resistencia de un suelo.
En el Ensayo de Penetración Estándar, las causas de error que son considerablemente más importantes que aquellos inherentes en el ensayo mismo son los que ocurren debido a un manejo inapropiado de las herramientas y el equipo al realizar el sondeo.
Se llega a la conclusión de que se pudo cumplir satisfactoriamente con el objetivo pretendido que era aprender un método sencillo para determinar la resistencia de un suelo a la penetración expresada por el número de golpes necesarios para penetrar 30 cm.
En el ensayo SPT tiene la ventaja de proporcionar además la información de la naturaleza de las capas atravesadas gracias a la muestra que se extrae.
Para cada tipo de suelo el número de golpes es distinto puesto que se debe a los asentamientos de muchos años (compacidad).
X.- BIBLIOGRAFIA
Normas ASTM D1586 y AASHTO T206.Manual de ensayo de materiales (EM 2000)- MTC.Guía de cimentaciones en obras de carretera, Dirección General de Carreteras, España.Ángel Muelas Rodríguez- Manual de Mecánica del Suelo y Cimentaciones.Juárez Badillo y otros. Mecánica de Suelos. Ed.Limusa in situ.
ENSAYO DE EXPANSION LIBRE
I.- OBJETIVOS
El laboratorio de suelos expansivos está basado en el estudio de suelos expansivos,
el cual ocurre en suelos que poseen compuestos con material fino (limo y arcilla,
presentándose los casos más frecuentes en este último).
Así se buscará determinar los siguientes parámetros:
- Estudiar el comportamiento de suelos vulnerables al agua, en este caso se
tratara una arcilla de alta plasticidad.
- Conocer los principales ensayos y métodos empleados en la determinación
del índice de expansión y compactación.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
ARCILLAS EXPANSIVAS:
Son todas aquellas arcillas que tienen la capacidad de incluir agua en su
estructura de láminas lo cual genera un ensanchamiento o expansión de la
estructura cristalina original que puede llegar a producir problemas en las
fundaciones de edificios, casas y carreteras. Las arcillas expansivas pertenecen
al grupo mineralógico de los silicatos y en función de la distribución de los
tetraedros de 4− SiO4 se clasifican sistemáticamente dentro de los filosilicatos o
silicatos laminares, siendo las del grupo de las esmectitas las que tienen mayor
expansividad. A grandes rasgos y en función del tipo de arcilla, entre lámina y
lámina se emplazarán en mayor o menor medida las moléculas de agua que
producirán el hinchamiento. Cuando el catión interlaminar es el sodio, las
esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a
producirse la completa disociación o separación de las láminas, teniendo como
resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades
coloidales, que dan lugar a propiedades especiales como las de los lodos
estabilizadores tixotrópicos o bentonitas. Si por el contrario, tienen Ca2+ o Mg2+
como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más
reducida.
El ion de sodio al hidratarse crece 7 veces de volumen, formando una segunda
capa, su energía térmica provoca repulsión compensada por la carga superficial
negativa de la arcilla. A este efecto se suma su alcalinidad capaz de destruir
uniones de carácter mas fuerte (disociación de los oxidrilos de las capas
octaédricas, resulta en carga negativa en los bordes repeliéndose con las caras
y aumento de la capacidad de intercambio catiónico). Hay que tener en cuenta
que los cationes de Na+ son muy reactivos y fácilmente desplazables por otros
cationes.
RECONOCIMIENTO DE UNA ARCILLA EXPANSIVA
Un suelo expansivo, implica no solamente la tendencia a aumentar de volumen
cuando aumenta el contenido de agua, sino también la disminución de volumen
o contracción si el agua se va perdiendo.
III. ENSAYO DE EXPANSION LIBRE
1. Introducción
Un gran porcentaje de las obras Ejecutadas por los Ingenieros civiles requieren de una cimentación las mismas que siempre se construyen sobre el suelo, el cual es un componente que posee una presión de expansión así como también al entrar en contacto con el agua presenta una expansión libre. Estas dos propiedades del suelo están directamente influenciadas por la humedad inicial del suelo así como también la saturación inicial del mismo.
Se elaboraran el ensayo en el laboratorio que nos proporcionara el porcentaje de expansión del suelo a ensayar.
2. Materiales
- Anillo indeformable- Muestra de suelo arcilloso- Consolidómetro
3. Procedimientos
1. Se moldea el suelo con las dimensiones del anillo2. Se extraen tres muestras del suelo con sus respectivos pesos y se envía al horno
durante 24 horas para obtener la humedad inicial del suelo.3. Se monta el anillo con la muestra correspondiente en el consolidómetro y se coloca
agua en el mismo para que comience la expansión.4. En este ensayo se procede a dejar que la muestra se expanda sin proporcionarle
ninguna carga.5. Se realizan lecturas de deformímetro cada cierto tiempo.6. Cuando el deformímetro permanezca invariable aproximadamente a las 24 horas de
iniciado el ensayo se procede a leer el mismo, desmontarlo y sacar tres muestras para obtener la humedad final.
4. Cálculos y Resultados
4.1. Expansión Libre
Datos Anillo Anillo + muestra MuestraPeso (gr) 112,5 256,31 144,26Diámetro
(cm) 6,22 6,22 6,22
Altura (cm) 2,4 2,4 2,4Peso específico seco (gr/cm3) 1,98Peso específico seco (gr/cm3) 1,41
HumedadesInicial Final
Recipiente 46,27 Recipiente 50,53 50,16Rec. + anillo
hum. 50,7 Rec. + anillo hum. 58,85 69,77
Rec. + anillo seco 49,48 Rec. + anillo seco 56,45 64,06
Humedad % 38,01Humedad % 40,54 41,08
Promedio 40,81
- Lecturas
DIA HORA MINUTOS
VUELTA
MEDIDA
LECTURA
ΔH (mm)
% DE EXPANSION
1 12:32 0 0 0,8 0,8 0,002 0,011 12:38 6 0 3,8 3,8 0,008 0,031 12:39 7 0 4,2 4,2 0,008 0,031 14:30 118 1 6,2 26,2 0,052 0,221 17:00 268 2 18,4 58,4 0,117 0,49
2 12:48 1456 4 0,02 80,02 0,16 0,672 14:30 1558 4 2,6 82,6 0,165 0,692 17:00 1708 4 6,9 86,9 0,174 0,733 14:30 2998 5 7,2 107,2 0,214 0,89
- Gráfica
- Humedades y Pesos Específicos
HUMEDAD INICIAL HUMEDAD FINALRecip. (gr) 38,85 Recip. (gr) 44,5 43,69
Rec. + Suelo Hum. (gr) 42,61 Rec. + Suelo Hum. (gr) 93,98 102,59
Rec. + Suelo Seco. (gr) 41,7 Rec. + Suelo Seco. (gr) 81,49 87,61
Humedad % 31,93 Humedad % 33,77 34,11Promedio 33,94
Peso Específico Húmedo (gr/cm3) 1,9
Peso Específico Seco (gr/cm3) 1,46
- Lecturas
DIA HORA
HORA
CARGA PARCIAL (gr)
CARGA ACUMULADA (gr)
PRESIÓN DE EXPANSIÓN (kg/cm²)
1 15:00 0 0 0 01 16:00 60 1200 1200 0,0381 17:00 120 2000 3200 0,1022 8:00 1020 7300 10500 0,3342 12:00 1260 1500 12000 0,3822 14:00 1380 800 12800 0,4072 17:00 1560 400 13200 0,423 8:00 2040 0 13200 0,42
3 12:00 2460 0 13200 0,42
IV.- CONCLUSIONES.
Expansión Libre
- El máximo porcentaje de expansión obtenido en los cálculos es del 0.88% lo que nos indica que la muestra ensayada es poco expansiva.
- Debido a que la humedad aumento antes y después del ensayo se produjo este hinchamiento en la muestra. Variando de un 38% a un 40%.
- Al tener en cuenta que el material utilizado fue suelo arcilloso y su bajo porcentaje de expansión, podemos clasificar a este suelo como Arcilla Poco Expansiva.
V.- BIBLIOGRAFIA
Hernández Rosales Marco, “ESTUDIO GEOLÓGICO Y RECONOCIMIENTO DE ARCILLAS EXPANSIVAS EN SUELOS DE UNA ZONA AL SUR DEMARACAY,ESTADO ARAGUA”, Universidad Central de Venezuela, Caracas, Febrero de 2006
PRUEBA DE CAMPO CPTU
I.- INTRODUCCIÓN
La realización de cualquier estudio de exploración geotécnica persigue obtener, mediante la detección, extracción y ensayo de muestras representativas de suelo, información que le ayude al ingeniero a establecer: la estratigrafía del suelo, la ubicación del nivel freático, las propiedades físicas y mecánicas del suelo de fundación y su historia de esfuerzos.
La metodología más sencilla y utilizada más frecuentemente en la exploración de suelos corresponde a la excavación y muestreo mediante calicatas, sin embargo, en la medida que la complejidad del proyecto aumenta, teniendo la presencia de napa, o cuando requiere estudiar profundidades o superficies mayores, la ventaja de las calicatas se pierde o se hace impracticable, siendo más conveniente en términos de costos y tiempo la utilización de sondajes.
Existen diversos tipos de sondaje en suelos, siendo el más utilizado en nuestro país el SPT con cuchara normal para la extracción de las muestras, que proporciona además valores del número de golpes durante la penetración, el cual se utiliza para establecer los parámetros geotécnicos mediante una serie de correlaciones empíricas.
Es bien sabido que las correlaciones obtenidas para suelos finos mediante el número de golpes del SPT son bien limitadas y que las muestras de suelo extraídas por medio de este método de sondeo pueden estar sumamente alteradas (inclusive al ser extraídas mediante un muestreador de tubo Shelby, de diámetro mayor a 3”). A raíz de lo anterior, el presente trabajo investiga la utilización del ensayo de penetración de cono o CPT, en la exploración de suelos finos.
El ensayo CPT consiste en hincar a presión en el suelo, una sonda compuesta por una punta cónica y un manguito de fricción, midiendo continuamente el esfuerzo necesario para lograr una penetración a velocidad constante. Este ensayo últimamente ha alcanzado gran desarrollo mundial, pudiendo incluir información piezométrica CPTU y de velocidades de onda SCPTU.
El objetivo de este trabajo es presentar las ventajas de la utilización del sondaje CPTU en la exploración de suelos finos, en términos de costos, tiempo empleado en la obtención de resultados, variabilidad y confiabilidad de resultados entre otros, haciendo hincapié en el gran número de correlaciones empíricas existentes para la determinación de parámetros geotécnicos de los suelos finos, entre las que destacan: clasificación, presión de preconsolidación, OCR (“over consolidation ratio”), resistencia no drenada y sensitividad.
II. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO CPTU
En términos generales el equipo consta de los siguientes componentes:
Sonda CTPU
Varillaje de hinca
Sistema de hinca: el hincado en el terreno es mediante un dispositivo
hidráulico, generalmente montado en un vehiculo apropiado.
Sistema de toma de datos: es un dispositivo eléctrico alojado en el interior
de la sonda (el cual incluye células de carga y presión intersticial, entre
otros), cuyas señales digitales son interpretadas por una computadora en
superficie.
2.1. Descripción de la Sonda CPTU
2.1.1. Geometría de la Sonda
La geometría de la sonda se identifica utilizando el área proyectada de su punta
cónica y el área de fuste o área del manguito de fricción. La Figura 1a muestra los 4
tamaños de conos existentes, siendo los tamaños de 10 cm2 y 15 cm2, los más
usados en exploración geotécnica. Las sondas de 2 cm2 son utilizadas
principalmente en investigaciones superficiales de suelos finos, mientras que la de
40 cm2 puede ser usada para suelos gravosos. La Figura 1b a su vez muestra las
dimensiones estándar de una sonda de 10 cm2 según la norma ASTM D5778-95.
Figura 1a: Tamaños existentes de conos (de izquierda a
derecha: 2cm2, 10cm2, 15cm2 y
Figura 1b: Componentes y dimensiones de la sonda de 10 cm2, según ASTM D5778-95
Se advierte que la sonda estándar para la cual se desarrollaron las relaciones
presentadas en las secciones siguientes corresponde a la de 10 cm2 y los resultados
obtenidos con sondas de otros tamaños deberán ser escalados proporcionalmente
según sus dimensiones.
Figura 2: Variación de la medida de la presión de poros a lo largo de la sonda
2.1.2. Piezo-ElementosLos piezo-elementos son filtros porosos que permiten poner en contacto el agua del
suelo con el captor de presión intersticial. Éstos permiten medir tanto las presiones
de poros generadas durante la hinca, como la disipación de las mismas al detener el
hincado de la sonda.
Debido a que la presión de poros generada por el hincado de la sonda varía a lo
largo de la longitud de la misma (ver Figura 2), la medición de las variaciones de
poros dependerá de la posición del filtro poroso.
Si bien la norma ASTM D5778-95 establece que la ubicación estándar del piezo-
elemento es sobre la base del cono (ver Figura 2), posición comúnmente denominada
en la literatura como “Tipo B o U2”, se ha observado que la ubicación “Tipo C o U3”,
detrás de la camisa de fricción, tiende a entregar resultados más confiables, sobre
todo en suelos muy preconsolidados.
III. EJECUCIÓN DEL ENSAYO
El ensayo CPTU consiste en hincar la sonda a presión en el suelo, a una velocidad
constante de 20 ± 5 mm/s y medir el esfuerzo Qc necesario para la penetración del
cono, además del esfuerzo generado por el roce lateral del fuste. Tanto la fuerza en
el cono como en el fuste requeridas para la penetración son medidas por métodos
eléctricos, los que entregan datos análogos continuos. Pese a ello, la mayoría de los
sistemas digitalizan los datos, entregándolos comúnmente en intervalos de 25 mm a
50 mm (más utilizado).
La ejecución del ensayo CPTU consta de los siguientes pasos:
Realizar un sondeo previo o sondeo de avance hasta el nivel freático.
Saturar correctamente el filtro poroso y la sonda en su conjunto.
Instalar el equipo de empuje y el conjunto de sonda y varillaje verticalmente.
Verificar conexiones y ceros iniciales.
Comenzar el ensayo registrando los parámetros (Qc, Qf y u).
III.1 - Verticalidad del EnsayoEl hincado debe desarrollarse verticalmente, ya que grandes desviaciones de la vertical pueden generar distribuciones de tensiones no uniformes y por lo tanto los parámetros pierden representatividad, además de dañar el equipo.
En la actualidad la verticalidad del penetrómetro puede ser monitoreada por inclinómetros alojados en el interior de la sonda.
La normativa establece que la desviación de una inclinación mayor a los 5º a lo largo de 1 m de penetración puede generar daños en el equipo y que inclinaciones
Acc
As
qc
mayores a 12º en 10 metros pueden generar registros de resistencia no realistas.
3.2.- Medición de Disipación de Presión de PorosEn los suelos finos saturados la hinca de la sonda provoca una variación U con respecto a la presión intersticial, positiva en suelos contractivos y negativa en suelos dilatantes. La medición de la disipación de presiones de poros consiste en detener el avance de la sonda y registrar como se disipa la presión U en exceso hasta alcanzar un cierto porcentaje del valor de equilibrio, el cual coincide con la presión hidrostática a la profundidad del captor de presiones
3.3.- Resultados EntregadosEl ensayo entrega los siguientes resultados:
Resistencia de Cono “qc”
q = Qc
Donde:Qc = Fuerza de resistencia al hincado de la sonda (kN) Ac = Área del cono (cm2)
Resistencia a la Fricción del Manguito “fs”
f = Fs
s
Donde:Fs = Fuerza de resistencia de fuste al hincado de la sonda (kN) As = Área del manguito de fricción (cm2)
Radio de Fricción “Rf”
Donde:R =
fs
f
x 100%
fs = Resistencia a la fricción del manguito (kN/cm2) qc = Resistencia de cono (kN/cm2)
El radio de fricción es la relación entre la resistencia a la fricción del manguito y la resistencia de cono, para un mismo punto de la masa del suelo.
Resistencia de Cono Total “qt”
Donde:
qt = qc = u2(1 - a)
u2 = Presión de poros medida en la posición inmediatamente después de la base del cono.a = Relación de áreas.
Esta relación es expuesta porque resulta importante en arcillas blandas saturadas
donde la resistencia de cono suele ser muy baja y las presiones de poros u2 suele
ser muy alta.
Una corrección similar es necesaria para la resistencia a la fricción. No obstante,
para ello es necesario conocer las presiones de poros en distintos puntos del largo
del fuste, por lo que la corrección puede ser reducida usando un manguito diseñado
con áreas inicial y final iguales.
A continuación, la Figura 3 presenta gráficamente un ejemplo de los resultados
típicos entregados por un ensayo CPTU, para una combinación de estratos de suelos
como el mostrado a su lado.
3.4. LimitacionesEl CPT y sus versiones CPTU y SCPT son aplicables para un amplio rango de suelos. Aunque inicialmente el CPT estaba limitado para suelos blandos, con los equipos de hincado modernos y conos mas robustos, el CPT puede ser usado incluso en suelos duros, muy duros y en algunos casos hasta en rocas blandas.
IV. CORRELACIONES OBTENIDAS CON EL CPTU
La siguiente sección describe cómo los resultados obtenidos con el CPTU pueden ser
aplicados para estimar los parámetros geotécnicos de suelos finos. Se hace un
desarrollo de aquellas correlaciones que entregan una mayor confiabilidad de los
resultados (ver Tabla 2) y se mencionan otras correlaciones investigadas que
aplican a los suelos finos.
Clasificación de Suelos
La principal aplicación del ensayo CPT consiste en la descripción estratigráfica y
clasificación del subsuelo explorado. Para ello se han desarrollado fichas de
clasificación de suelos basadas en sus características mecánicas o “comportamiento
tipo del suelo”, en las cuales se ha verificado una confiabilidad mayor al 80% con
respecto a muestras extraídas en los mismos suelos.
Debido a que las perforaciones realizadas con el equipo del CPT pueden superar
inclusive los 100 m, Robertson (1990) propone la siguiente ficha de clasificación de
3.47 log Qt 2 log Fr 1.222
suelos (Ver Figura 4), que considera una normalización de las presiones de poros y
de la resistencia a la penetración y fuste de la sonda, de modo de incluir el efecto
de incremento o disminución de las tensiones efectivas en sondajes profundos o
superficiales.
Como se puede apreciar en el gráfico de la izquierda de la Figura X, se identifican 9
tipos de comportamientos de suelos de acuerdo a la combinación de valores
normalizados de la resistencia a la penetración de cono Qt y la razón de fricción Fr
(%). Además se muestran a modo general tendencias del comportamiento de los
suelos finos tales como aumentos en la: sensitividad, radio de consolidación (OCR),
cementación y ángulo de fricción efectivo.
Asimismo, cuando se realiza medición de la presión de poros durante el ensayo, se
puede utilizar el valor del parámetro normalizado de la presión de poros en el
gráfico de la parte derecha de la Figura 4 como un criterio adicional, que puede
ayudar a la identificación de suelos con alto contenido de finos.
Para simplificar la aplicación de las fichas de la Figura 4, los parámetros Qc y Fr
pueden ser combinados el un índice de comportamiento del suelo Ic, que
corresponde al radio de los círculos concéntricos que representan los límites entre
cada zona definida (a excepción de las zonas 1, 8 y 9 que no aplica), el que se
define como:
Ic
Figura 4: Ficha normalizada del “comportamiento tipo del suelo” según resultados del CPT
El término Qt representa la normalización simple con un exponente de tensión de 1.0,
el cual aplica de buena forma a suelos arcillosos, sin embargo, según Robertson
(2009) la normalización precisa a utilizarse en la Figura x considera un término Qtn,
que se obtiene iterativamente utilizando el exponente de tensión que varía con Ic.
Figura 5: Iteración conducente a calcular Ic.
V.- PRESIÓN DE PRECONSOLIDACIÓN Y OCRLos conceptos de presión de preconsolidación y OCR (OCR = Over Consolidation
Ratio) se encuentran directamente ligados, la tasa de preconsolidación (OCR) para
un suelo arcilloso se define, en la teoría, como la razón entre la máxima tensión
efectiva a la que ha sido solicitada el suelo (presión de consolidación) y la presente
tensión efectiva que se encuentra solicitado el suelo.
Esta definición aplica a suelos donde el exceso de tensión se debió a esfuerzos
mecánicos como glaciación, erosión o excavación.
En caso que se estudie un suelo con cementación o suelos con gran envejecimiento,
la presión de consolidación se considera como la tensión de fluencia del suelo,
considerando el comportamiento similar al modelo elasto-plástico de estos suelos.
En la literatura existen distintos modelos para determinar el valor de la presión de
preconsolidación según los resultados obtenidos de los ensayos de consolidación de
laboratorio, donde el método más común es el desarrollado por Casagrande. De
igual manera, para la determinación según los resultados de ensayos in situ tipo
CPTU existen variados autores que utilizan los parámetros obtenidos del ensayo. La
gran variación de estos métodos se debe principalmente a los distintos tipos de
piezoconos utilizados y a la naturaleza empírica o analítica del método.
Las modelos predictivos basados en los parámetros otorgados por el penetrómetro
se basan principalmente en la resistencia de cono y la medición de presión de poros.
El parámetro de fricción se considera menos confiable y repetible, por lo que no se
utiliza masivamente en los modelos.
Tabla 1: Rangos de Coeficiente Hidraulico según el Tipo de Suelo.
Zona Tipo de suelo (SBTn) Rango de K1 Suelo Fino Sensitivo 3x10-9 a 3x10-
82 Suelos Organicos 1x10-8 a 1x10-
3 Arcillas 1x10-10 a 1x10-94 Suelos Limosos 3x10-9 a 1x10-
75 Suelos Arenosos 1x10-7 a 1x10-
6 Arenas 1x10-5 a 1x10-37 Gravas arenosas a arenas 1x10-3 a 1
8 Arenas rigidas a arenas arcillosas 1x10-8 a 1x10-
9 Suelo fino rigido 1x10-8 a 1x10-6
VI. VENTAJAS DEL CPTU
En este capítulo se discuten las ventajas de la aplicación del ensayo CPTU en
exploración de suelos finos, en términos de confiabilidad de las correlaciones
empíricas estudiadas en el capítulo anterior, aplicaciones directas de los
resultados a problemas geotécnicos y aspectos económicos. Se presenta
finalmente un resumen de las ventajas y desventajas del ensayo y se realiza
una conclusión final de éstas.
Confiabilidad
En el capítulo 3 se desarrollaron una serie de correlaciones empíricas
generadas a partir de los resultados del ensayo CPTU para obtener algunos
parámetros geotécnicos de los suelos finos. A continuación se resume la
confiabilidad de la estimación de tales parámetros, a partir de la experiencia de
Robertson y Gregg Drilling, considerando una escala de 1 a 5, en donde 1 se
refiere a una confiabilidad alta, y 5, a una baja.
Tabla 2: Aplicabilidad percibida del CPTU en la obtención de los parámetros de suelos finos.
PARÁMETREstratigrafía Su St OC K Ch k
1 1-2 2 1 2 2-3 2-3
Aplicabilidad Directa
Existen problemas geotécnicos en los cuales es posible aplicar directamente los
resultados obtenidos del ensayo CPTU, sin la necesidad utilizar los parámetros
obtenidos de las correlaciones empíricas estudiadas en el capítulo anterior. De
acuerdo a esto, la siguiente tabla resume la confiabilidad de la aplicación directa
del ensayo CPTU en problemas de diseño que involucran suelos finos, según la
experiencia de Robertson y Gregg Drilling. Se utiliza la misma escala indicada
en el punto anterior:
Tabla 3: Aplicabilidad percibida del CPTU para algunos problemas de diseño directo.
Diseño de Pilotes
Capacidad de soporte Asentamientos Control de
compactación Licuefacción1-2 1-2 2-3 3-4 1-2
Comparación EconómicaPara establecer una comparación en términos económicos entre la utilización
del CPTU en exploración de suelos finos y los sondajes tradicionales con
extracción de muestras, se solicitó a una empresa especialista en sondajes, una
cotización con ambos métodos por la exploración de 250 m de sondajes, en 7
pozos de 35 m cada uno, ubicados en la cubeta de almacenamiento de relaves
del Tranque Talabre.
VII. COMENTARIOS Y CONCLUSIONES
Como se pudo apreciar, el ensayo CPTU entrega una descripción continua del
subsuelo explorado, de una forma rápida y con una baja variabilidad en sus
resultados.
Asimismo sus resultados puede utilizarse para obtener una serie de parámetros
geotécnicos de suelos finos a partir las correlaciones empíricas ampliamente
estudiadas, cuyos valores son estimados con una muy buena precisión.
Adicionalmente existen aplicaciones directas a problemas geotécnicos de
ingeniería en los cuales también se han obtenido resultados con una muy
buena confiabilidad.
Al analizar los resultados de la comparación económica realizada entre los
costos de una exploración de suelos finos mediante un CPTU, con una
perforación realizada con HSA, con muestreo y ensayo, se aprecia que la
primera considera una muy alta inversión inicial, y que requiere de operadores
altamente capacitados para realizar los sondajes (además de no contar con
disponibilidad inmediata de los equipos).
De acuerdo a lo anterior se puede establecer el siguiente cuadro resumen, el
cual muestra las ventajas y desventajas de la exploración de suelos finos
mediante el CPTU:
Tabla 5: Ventajas y desventajas de la utilización del CPTU en la exploración de suelos finos.
Ventajas Desventajas Exploración rápida y continua Datos confiables e invariables Fuerte base teórica
Alta inversión de capital Necesidad de contar con operadores
capacitados No se obtienen muestras