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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
SEMINARIO DE TESIS
Tema:
COMPARACION ENTRE EL ENSAYO DE PENETRACION ESTÁNDAR Y EL ENSAYO DE
PENETRACION DINAMICA LIGERA EN ARENA Y LIMO.
1. Introducción
El presente trabajo se basa en las correlaciones de dos equipos de penetración, en un suelo arenoso y
limoso igualmente compactado, a fin de establecer ecuaciones de correlación entre ellas.
Se realizara la caracterización geomecánica del suelo arenoso empleado, por medio de ensayos estándar
de granulometría, limites de Atterberg, gravedad específica, contenido de humedad y ensayos
especiales de: Densidades Máximas y Mínimas.
Como resultado de este estudio se propone relaciones de correlación entre los resultados de los
diferentes equipos empleados y relación con las principales propiedades del suelo: ángulo de fricción
interna, módulo de elasticidad ( E ) y densidad relativa (Dr)
2. Planteamiento del problema
El Ensayo de Penetración Estándar (SPT – Norma MTC E 119-2000) consiste a grandes rasgos en penetrar
ciertos tipos de suelos con un muestreador denominado de “caña partida”, utilizando una cantidad de
energía que se obtiene al soltar una masa de 63.5 kg desde una determinada altura de 0.76 m, luego de
lo cual podemos medir las distancias que fueron penetradas en el referido suelo en tramos de 15 cm,
con lo cual obtendremos parámetros característicos del suelo estudiado que nos ayudaran a entender
su comportamiento mecánico. , pero Este ensayo es muy dificultoso y requiere, entre otros, de los
siguientes requisitos:
Un área de trabajo de al menos 20 m2.
Personal en un número mínimo de cuatro ocho (4-8) personas para la manipulación y ejecución del
ensayo y una para tomar los registros.
Los tiempos para la ejecución de los ensayos son bastante elevados.
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Todo lo anterior sumado nos conduce a que este tipo de ensayo deberá ser simplificado de alguna
manera.
La Firma “ELE International “ En los años 50 se desarrollo un instrumento llamado PORTABLE DINAMIC
CONE PENETROMETER (Penetrometro Dinámico Ligero - DPL) el cual tiene los mismos principios del
Ensayo de Penetración Estándar pero con la ventaja de que este nuevo instrumento es manual y
totalmente como su nombre lo indica, mucho más liviano, con lo que y el ensayo seria más rápido, con
menos área requerida y con menos personal (solo dos personas para ejecutar el ensayo y una para
tomar los registros), el cual puede ser en su manual de uso esta calibrado con para el Ensayo de
Penetración Estándar (SPT) ; pero el problema se suscita justamente aquí, en que la Norma E.050; Suelos
y Cimentaciones, las obliga a definir correlaciones que muestra no están totalmente claras y que además
de eso fueron hechas para cada tipo de un suelo, característico del lugar país de origen.
En la presente propuesta de investigación se propone correlacionar en método de Cono de Penetración
Dinámica Ligera de Punta Cónica (DPL), con el ensayo de Penetración Estándar (SPT) para así dar
soluciones rápidas y coherentes en dos tipos de suelos usando además en las correlaciones, a las
densidades relativas usando ángulo de fricción interna encontradas medidas en cada tipo de suelo y a
diferentes profundidades sin modificarlas.
3. Formulación del problema
¿Cómo relacionar los ensayos de Penetración Estándar (SPT) con el ensayo de Penetración Dinámica
ligera (DPL) para los suelos: Arena y Limo?
4. Objetivos
- Objetivos Generales
Comparar el Ensayo de Cono Dinámico de Penetración Dinámica Ligera con el Ensayo de Penetración
Estándar en suelos: arena y limo
- Objetivos Específicos
Determinar a través Ensayo de Cono Dinámico de Penetración Dinámica Ligera con el Ensayo de
Penetración Estándar en ARENA la densidad relativa encontrada medida en el terreno y sin modificarla a
diferentes profundidades.
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Determinar a través Ensayo de Cono Dinámico de Penetración Dinámica Ligera con el Ensayo de
Penetración Estándar en LIMO la densidad relativa encontrada medida en el terreno y sin modificarla a
diferentes profundidades.
5. Hipótesis
Es posible relacionar los ensayos de Penetración Estándar (SPT) con el ensayo de Penetración Dinámica
ligera (DPL) para los suelos: Arena y Limo usando ángulo de fricción interna , módulo de elasticidad ( E )
y densidad relativa (Dr) encontrada medida en campo a diferentes profundidades.
6. Marco teórico
Breve reseña histórica del Mecánica de Suelos
La mecánica de suelos es una parte del área de la ingeniería que está dedicada a estudiar las fuerzas o
cargas que son establecidas en la superficie terrestre. La mecánica de suelos es la aplicación de las leyes
de la mecánica y la hidráulica a los problemas de ingeniería que tratan problemas relacionados a la
consolidación de partículas subatómicas y de los sedimentos. La ingeniería civil se desarrolla en este
ámbito, donde las construcciones y el comportamiento de las mismas estarán determinadas por el
material aplicado y sobre todo por el suelo que es utilizado en el relleno.
Esta parte de la ingeniería fue inventada en el año 1925 por Karl von Terzaghi. Antes de realizar
cualquier tipo de construcción uno de los pasos fundamentales es realizar un estudio característico del
suelo, con el objetivo de conocer las propiedades del mismo y como se puede aprovechar para el uso
que deseamos realizar. Si la capacidad del suelo se ve minimizada en relación a la aplicación a la
aplicación de fuerzas, es probable que el mismo se deforme y que tenga como consecuencia que se
generen algunos acontecimientos secundarios no determinados durante la fase del diseño del proyecto.
Estas deformaciones secundarias pueden traer como consecuencia la proliferación de grietas, fisuras, y
en los casos verdaderamente extremos, hasta el colapso de toda la obra. Siempre hay que observar
detenidamente mediante un estudio pertinente tanto las condiciones del suelo como la del cimiento
que trabaja como un medio de contacto entre el suelo y la estructura. Una diferencia muy palpable
entre dos materiales distintos es la que existe entre la roca y el suelo, a pesar de su definición en la
parte natural de la corteza terrestre.
La diferencia más significativa entre la roca y el suelo es la resistencia, en ingeniería se conoce como
roca un material altamente resistente, el mismo esta formado por partículas minerales unidas mediante
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fuerzas cohesivas sorprendentes, sin embargo dentro de las principales características del suelo es la
forma en la cual se encuentran sus partículas, estas están separadas ligeramente con medios mecánicos
de poca fuerza. Si no se conoce a simple vista la diferencia de ambos materiales se procede a realizar
una prueba en un vaso precipitado, la prueba consiste en introducir los materiales en un vaso con agua,
si el material se desintegra entonces este corresponde al suelo, en la parte contraria se estaría hablando
de una roca.
Ensayo de Penetración Estándar (SPT)
DESCRIPCIÓN:
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.
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
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.
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DONDE SE REALIZA:
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.
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
Trípode de carga; toma muestras
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.
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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.
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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.
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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:
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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 /cm 2
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 < 30Suelta 0.2 – 0.4 4 – 10 20 – 40 30 – 35Compacta 0.4 – 0.6 10 – 30 40 – 120 35 – 40Densa 0.6 – 0.8 30 – 50 120 – 200 40 – 45Muy 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.
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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.
APLICACIÓN:
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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.
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DESVENTAJAS
Muestra alterada (solo para caracterización)
Número muy crudo para el análisis.
No aplicable en arcillas blandas y limos.
Variabilidad e incertidumbre.
Ensayo de Penetración Dinámica Ligera (DPL)
El ensayo DPL (DIN 4094), se ha realizado en los suelos que permite el ingreso de la varilla con la punta
cónica hasta que exista un rechazo por presencia de gravas o bolones; el procedimiento del ensayo
consiste en el hincado continuo en tramos de 10 cm de una punta cónica de 60° utilizando la energía de
un martillo de 10 Kg de peso, que cae libremente de una altura de 50 cm. Este ensayo permite obtener
un registro continuo de resistencia del terreno de penetración. Los valores determinados con este
ensayo fueron correlacionados con el valor N del ensayo SPT, estimándose así los parámetros físicos-
mecánicos del suelo.
El valor de N (SPT) es determinado a partir de la relación planteada por el Ing. A. Martínez. V. en el XIII
Congreso de Ingeniería Civil (Puno, 1990) el cual permite determinar el valor de N cuando se usa
penetrómetros de dimensiones y energía distinta.
N SPT =.N DPL(W 1H 1A2e2) /(W 2H2 A1 e1 )
Donde:
N SPT = Número de golpes por 30 cm. Del SPT.
N DPL= Número de golpes por 10 cm. Del DPL.
W 1 ,W 2= Peso del martillo.
H1 ,H2= Altura de la caída.
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A1 ,A2= Área de sección transversal.
e1 ,e2= Distancia de Penetración
Sobre la base de esta relación y una serie de registros recopilados de ensayos DPL y SPT ejecutados en
una misma zona de diferentes proyectos, se ha obtenido que el promedio del número de golpes para
tres tramos de 10 cm de penetración del ensayo DPL equivalga al número de golpes para 30 cm de
penetración del ensayo SPT.
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