El Penetrómetro Dinámico de Cono (D.C.P) es una herramienta simple y sencilla que permite realizar de una una manera expeditiva, expeditiva, una auscultación auscultación situ de las las capas de suelo, suelo, granulares y levemente cementadas componentes de un pavimento durante su construcción en su etapa de servicio. El principio de funcionamiento es muy simple: una sonda con su extremo en forma de cono penetra a través de las capas en forma continua bajo la acción dinámica de una masa M que cae libremente desde una altura H, ambas fijas y preestablecidas. La penetración medida es una función de la resistencia al corte “in situ” de los
materiales y el perfil de resistencia en profundidad, da una indicación de las propiedades de los materiales de todas las capas de la estructura hasta una profundidad de auscultación determinada. determinada. El equipo es liviano, fácilmente transportable por una persona y su su operación es totalmente totalmente manual, no no requiriendo para la ejecución de la prueba de ningún ningún otro dispositivo auxiliar. auxiliar. Entre los usos posibles de los ensayos se destacan:
Campaña de reconocimiento rápido del terreno Verificación de la eficiencia de los equipos de compactación utilizados en obra Control durante la construcción de las distintas capas que componen el paquete Detección e identificación de anomalías en alguno o algunas de las capas una vez construidas Seguimiento del comportamiento estructural del camino y análisis de la influencia de las solicitaciones (tránsito y clima) Evaluación de pavimentos existentes Identificación de tramos homogéneos con características estructurales similares.
1 INTRODUCCIÓN La determinación del Valor de Soporte S oporte California, CBR, parámetro parámetro aplicado en el diseño de pavimentos flexibles, en general es considerada como un proceso complejo que adicionalmente requiere de bastante tiempo para su obtención. Como respuesta a estas dificultades surgen diferentes dispositivos como el DCP (Cono Dinámico de Penetración) que facilitan y pr oporcionan mayor practicidad a los ensayos convencionales. El DCP es una herramienta útil, multifuncional, su uso trae una gama de beneficios. Sin embargo, embargo, es necesaria una buena interpretación interpretación para determinar parámetros de diseño finales más confiables, optimizando tiempo, dinero, recursos humanos y mecánicos. 2 EL CONO DINÁMICO DE PENETRACIÓN El DCP fue desarrollado en 1956 por Scala; estudios realizados en campo por Livneh
y Ishali (1987) y Kleyn (1975) han sido básicos para la evaluación de pavimentos. Posteriormente se ha difundido su uso en Inglaterra, Australia, Canadá, Nueva Zelanda y Estados Unidos. Este instrumento es utilizado esencialmente para evaluar la resistencia de suelos tanto no disturbados como compactados y estimar un valor de CBR en campo. A diferencia de este último, el DCP presenta ventajas como su simplicidad y economía de uso. Implícitamente, el DCP estima la capacidad estructural de las diferentes capas que conforman a un pavimento, detecta simultáneamente el grado de heterogeneidad que puede encontrarse en una sección y la uniformidad de compactación del material, de una manera rápida, continua y bastante precisa. 2.1 Especificaciones Geométricas del DCP Recientemente la ASTM publicó una metodología estándar para el uso y aplicación del DCP en pavimentos, con la designación: D 6951-03. Este ensayo utiliza un DCP basado en el dimensionamiento de Sowers, con un martinete de 8 kg el cual tiene una caída libre de 575 mm y un cono intercambiable en la punta con un ángulo de 60º y un diámetro de 20 mm. 2005 2006
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5 Figura 1 - Esquema del Equipo DCP (ASTM D-6951-03). 2.2 Curva DCP Gráfica que representa la penetración acumulada en función del número de golpes acumulados para los respectivos datos. En este tipo de curvas, como se muestra en la Fig. 2 se
puede visibilizar el número de capas existentes representadas por rectas de diferentes pendientes, también se puede determinar el espesor de dichas capas. Figura 2 - Curva DCP para una serie de valo res, se observan tr es capas diferentes. 2005 2006
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6 2.3 Número DCP Este número representa la penetración obtenida por golpe y se expresa en mm/golpe; es el valor de la pendiente de la curva DCP para la capa en estudio, mientras más vertical sea la gradiente, menor será la resistencia del suelo. Asimismo, esta medida de penetración describe la resistencia promedio de un suelo a través de cierta profundidad alcanzada, la cual se determina como el trabajo realizado por el suelo para detener el cono de penetración, dividido entre la distancia de penetración. 2.4 Diagrama Estructural Figura 3 - Curvas estructurales DCPs, para tráfico liviano, mediano y pesado (Transvaal Roads Department-TPA, 1978). Con posibles propósitos de aplicación al diseño de pavimentos, Transvaal Roads Department-TPA (1978) desarrolló un conjunto de curvas directrices que indican la capacidad de soporte de pavimentos sometidos a condiciones de tráfico ligeras, medianas y severas, como se muestra en la Fig.3. Por lo tanto, se puede comparar cualquier sondeo de DCP con las directrices mencionadas para estimar la pr ofundidad a la cual el material natural actúa como un elemento estructural en el pavimento. 2.5 Correlaciones existentes para el DCP
En las últimas décadas se han desarrollado diferentes investigaciones para correlacionar el valor DCP con otras características físico-mecánicas de los suelos; la selección apropiada de este tipo de correlaciones está relacionada con el juicio del profesional en el área y las especificaciones del equipo DCP. La Tabla 1 resume las expresiones más trascendentales obtenidas con el uso del DCP (equipo normado según ASTM). 2005 2006
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7 Relación entre DCP(mm/golpe) y: Ecuación Autor/Autores Observaciones Módulo Resiliente (Mpa) George y Uddin (2000). Suelos finos. Módulo Resiliente (Mpa) George y Uddin (2000). Suelos gruesos. Compresión No Confinada (kPa) McElvaney y Djatnika (1991). Suelos con limos. 492 , 0
· 1 , 532 −
= DCP MR 475 , 0
· 3 ,
235 −
= DCP MR Log (DCP) , , Log (UCS) 809 0 29 3 =
Tabla 1 - Resumen de expresiones para correlacionar el número DCP con otros valores. Relación entre DCP(mm/golpe) y: Ecuación Autor/Autores Observaciones Límite Líquido (%) Gabr, M. et al. (2001) Suelo con alto contenido de finos (60%). Grado de Saturación (%) Gabr, M. et al. (2001) Suelo con alto contenido de finos ( 60% ) . Val o r de So po r t e California (%) Transport Road Research TRRL (1986). Apta para todo tipo de suelos. Val o r de So po r t e California (%) Webster S.L. et al.(1994).
Para suelos CH. Val o r de So po r t e California (%) Webster S.L. et al. (1994). Para suelos CL con CBR < 10 %. Módulo Resiliente (Mpa) Chen D. et al. (2005). Estudio realizado en bases y sub-bases de diferentes autopistas de Estados Unidos. Val o r de So po r t e California (CBR %) o expresada también: Van Vur e n ( 1 9 6 8 ) , Kleyn (1975), Livneh e Ishai (1987), Webster (1992) y Siekmeier (1999). Apta para todo tipo de suelos (granulares y cohesivos). 14 1 62 0 , ·Log (DCP) , LL = DCP
e S
⋅
−
−
= 065 , 0
1 ·Log(DCP) ,
, CBR Log 12 1 465 2 ) ( = Log(DCP) , , Log (CBR) 858 0 317 2 = DCP , CBR
⋅=
002871 0 1 6645 , 0
76 , 537
⋅
−
= DCP MR
12 , 1 292 D C P CBR = () 2
DCP 0,017019 1
⋅=
CBR
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8 3 METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN La metodología empleada se sub-dividió en cinco etapas: 1. La preparación de las muestras bajo estudio, 2. La elaboración de ensayos generales para la determinación de las propiedades físicas de los suelos (caracterización, determinación de la humedad óptima, determinación del peso unitario seco máximo, determinación de gravedad específica de los sólidos, etc.), 3. La elaboración de ensayos específicos del estudio (determinación de valores CBR y DCP en laboratorio) y 4. El proceso de resultados y análisis estadístico. La Tabla 2 resume las características y parámetros físicos de las muestras bajo estudio. Tabla 2 - Clasificación y parámetros de las muestras empleadas. Clasificación Clasificación (AASHTO) (Sistema Unificado) M1 A-1-a Grava limosa con arena (GM) 22,3 22,1 1,2 2,72 22.4 6.0 M2 A-2-4 GM 23,1 21,9 1,2 2,71 21.7 5.7 M3 A-1-b GM 22,0 20,9 1,2 2,71 22.2 6.3 w opt
(%) Gs (g/cm3) Muestra Límite Líquido ( % ) Límite Plástico (
% ) Í ndice Plástico ( % ) γ
max
(kN/m3)
3.1 Ensayos específicos Ensayos DCP Los ensayos de DCP se realizaron en laboratorio con el uso de un molde cilíndrico de 25 cm de diámetro y 43 cm de altura, la energía de compactación utilizada fue de 2700 kNm/m 3
. Realizar el ensayo DCP en laboratorio permitió tener mejor control sobre las condiciones más influyentes en el resultado de un CBR, como lo son la densidad, contenido de humedad y uniformidad de compactación. Una vez con los anillos de carga (249 kg/m 2
), el ensayo de penetración se llevaba a cabo como se muestra en la Fig. 4, la profundidad era registrada al milímetro más cercano y el número de golpes se determinaba según la resistencia que ofrecía dicho material. 2005 2006
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9 Figura 4- Ensayo DCP llevado a cabo en laboratorio. Ensayos CBR
Figura 5 - Gráfica presión resistente versus penetración, para la determinación del valor CBR Ensayo DCP llevado a cabo en laboratorio. En la figura de la izqu ierda, se tiene la configuración del equipo para el ensayo de CBR automático.
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10 Una ventaja en el proceso de realización de ensayos CBR, consistió en la captura automática de datos de carga y deformación que se obtuvo del equipo ELE Multiplex E-50 disponible en el Laboratorio de Suelos UPB, como se muestra en la Fig. 5. 4 RESULTADOS En la búsqueda del modelo de regresión que mejor se adecúe a los datos obtenidos, se realizó un análisis estadístico exhaustivo, se empleó una norma guía (NB 502-89), para la verificación de los supuestos de regresión y algunos criterios como el coeficiente de determinación R 2
, el coeficiente de determinación ajustado R 2 aj
, coeficiente de correlación múltiple, análisis de varianza, suma de cuadrados SC. Finalmente se realizaron pruebas complementarias de multicolinearidad, homocedasticidad y autocorrelación, esta última mediante la prueba de Durbin Watson que diagnostica la presencia de correlación entre residuos consecutivos. 4.1 Relación entre el Contenido de Humedad y el valor DCP Se percibió una gran influencia del contenido de humedad w (%) en la determinación del valor DCP (mm/golpe) . De esta forma se obtuvo la si guiente correlación para relacionar Humedad vs. DCP:
)
( · 897 , 0 099 , 5 DCP Ln w + = (1) Se obtuvo un R 2
= 0,778 para los 45 datos evaluados. Los límites de validez para la ecuación son: 2< DCP< 92. 4.2 Relación entre el Peso Específico Seco y DCP No se encontró ninguna relación directa entre el peso específico seco ( γ d
) y DCP. Sin embargo luego de establecer la Ec.1, se determinó una correlación muy significativa entre γ d
y DCP tomando en cuenta efectos del contenido de humedad. Finalmente se obtuvo laEc.2, que relaciona el peso específico seco γ d
(kN/m3) con el valor DCP (mm/golpe) y contenido de humedad w (%). ) (
5964 , 0 · 2075 , 0 694 , 21 DCP Ln w
⋅− d
+ = γ
(2) Con R 2
= 50.0 % y R 2 aj
= 36.53 %. 4.3 Relación entre el Peso Específico Seco - Máximo y DCP Generalizando la expresión 2, se obtuvo la siguiente ecuación que describe la relación encontrada entre el Peso Específico Seco ( γ d
), Peso Específico Seco Máximo ( γ d max
) y DCP. w DCP w d d
· 00594 ,
0 · 03885 , 0 07235 , 1 1 max
+ −
=
⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎝ ⎛
γ γ
(3) donde: γ d
es el peso específico seco [kN/m 3
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]. 2005 2006
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11 γ d max
es el peso específico seco máximo [kN/m 3
]. DCP es la tasa de penetración [mm/golpe]. Sus límites: 2 < DCP < 92. w es en contenido de humedad [%]. Sus límites: 1,3 < w < 10. La Ec. 3 presenta una mejor aplicabilidad respecto a todas las ecuaciones anteriormente desarrolladas. Por ello se realizó un análisis estadístico más detallado: a)
Significancia de las variables independientes Se tiene como hipótesis nula que los coeficie ntes de las variables son iguales a cero (b 1
=b 2
=0), si se verifica que el valor de t de Student calculado para cada variable ⏐
t cal
⏐
es mayor a t ( α ; n-k-1 )
para un nivel de significancia del 5 % ( α
=0,05), la hipótesis nula deberá ser rechazada, concluyéndose que todas las variables son importantes en el modelo. Se tiene t (0,05 ; 12)
= 1,7823 , con n-k-1 = 12 grados de libertad para los 15 grupos de datos estudiados, este valor es verificado con los resultados de la Tabla 3. Tabla 3 - Significancia de las variables de la expresión 3 DCP^(1/w) b1 -6,3735 w b 2 -4,9254 Variable Coeficiente t Calculado
b) Análisis de Varianza La ecuación 3 presento un R 2
de 0,808 y un R 2 aj
= 0,776.Con el uso de la tabla de distribución F
de “Snedecor” (Tabla 5) se determin
a F considerando un nivel de tolerancia ( α
= 0,01) para una evaluación de nivel ri guroso especial, según NB – 502/89. Si F calc
>F ( α ; k ; n-k-1 )
= 6,93 (con 12 grados de libertad), se rechaza la hipótesis que indica la no existencia de correlación alguna. La Tabla 4 presenta los resultad os del análisis ANOVA. Tabla 4 - Análisis ANOVA para datos de γ
d/ γ
d max , DCP1/w y w. c) Mínimo número de datos La teoría de regresión indica que el núme ro de datos a evaluar debe ser mayor al número de variables k. Para la evaluación a un nivel riguroso especial, NB – 502/89 exige cierto número de datos definidos por: n ≥
2k + 5 y n ≥
3k. con: n = número de datos muestrales = 15 k = número de variables independientes más dependiente = 3
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EL CONO DINÁMICO DE PENE TRACIÓN Y SU APLICACIÓN EN LA EVALUACIÓN DE SUELOS Fabiana Viscarra Agreda 1
Resumen
La presente investigación incursiona en la aplicación de una herramienta, cuyo estudio y aplicación se viene desarrollando desde 1959. El Cono Dinámico de Penetración, DCP, se ha constituido en un instrumento de uso práctico y económico para la evaluación de terraplenes conformados y paquetes estructurales existentes. Durante el presente trabajo, se desarrolló una metodología para realizar ensayos de DCP en l aboratorio, utilizando diferentes tipos de suelos locales representativos para la conformación de terraplenes. Las variables del estudio son los valores de CBR, DCP, contenido de humedad y peso específico seco; estos dos últimos presentaron gran influencia durante el desarrollo de pruebas DCP. Finalmente se ratifica la gran variabilidad que presenta el ensayo de CBR y la dificultad en el momento de interpretar sus resultados. Estas patologías desembocan en una serie de dudas, hasta llegar a cuestionarse acerca del grado de confiabilidad de este tipo de
ensayo, cuyo valor recae directamente en el dimensionamiento de espesores en pavimentos. Palabras-clave : Cono Dinámico de Penetración (D CP); Valor de Soporte California (CBR); correlación. 1
MSc. Licenciado en Ingeniería Civil por la Universidad Privada Boliviana, fviscarra@gmail.com
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4 1 INTRODUCCIÓN La determinación del Valor de Soporte California, CBR, parámetro aplicado en el diseño de pavimentos flexibles, en general es considerada como un proceso complejo que adicionalmente requiere de bastante tiempo para su obtención. Como respuesta a estas dificultades surgen diferentes dispositivos como el DCP (Cono Dinámico de Penetración) que facilitan y pr oporcionan mayor practicidad a los ensayos convencionales. El DCP es una herramienta útil, multifuncional, su uso trae una gama de beneficios. Sin embargo, es necesaria una buena interpretación para determinar parámetros de diseño finales más confiables, optimizando tiempo, dinero, recursos humanos y mecánicos. 2 EL CONO DINÁMICO DE PENETRACIÓN El DCP fue desarrollado en 1956 por Scala; estudios realizados en campo por Livneh y Ishali (1987) y Kleyn (1975) han sido básicos para la evaluación de pavimentos. Posteriormente se ha difundido su uso en Inglaterra, Australia, Canadá, Nueva Zelanda y Estados Unidos. Este instrumento es utilizado esencialmente para evaluar la resistencia de suelos tanto
no disturbados como compactados y estimar un valor de CBR en campo. A diferencia de este último, el DCP presenta ventajas como su simplicidad y economía de uso. Implícitamente, el DCP estima la capacidad estructural de las diferentes capas que conforman a un pavimento, detecta simultáneamente el grado de heterogeneidad que puede encontrarse en una sección y la uniformidad de compactación del material, de una manera rápida, continua y bastante precisa. 2.1 Especificaciones Geométricas del DCP Recientemente la ASTM publicó una metodología estándar para el uso y aplicación del DCP en pavimentos, con la designación: D 6951-03. Este ensayo utiliza un DCP basado en el dimensionamiento de Sowers, con un martinete de 8 kg el cual tiene una caída libre de 575 mm y un cono intercambiable en la punta con un ángulo de 60º y un diámetro de 20 mm. 2005 2006
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5 Figura 1 - Esquema del Equipo DCP (ASTM D-6951-03). 2.2 Curva DCP Gráfica que representa la penetración acumulada en función del número de golpes acumulados para los respectivos datos. En este tipo de curvas, como se muestra en la Fig. 2 se puede visibilizar el número de capas existentes representadas por rectas de diferentes pendientes, también se puede determinar el espesor de dichas capas. Figura 2 - Curva DCP para una serie de valo res, se observan tr es capas diferentes. 2005 2006
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6 2.3 Número DCP Este número representa la penetración obtenida por golpe y se expresa en mm/golpe; es el valor de la pendiente de la curva DCP para la capa en estudio, mientras más vertical sea la gradiente, menor será la resistencia del suelo. Asimismo, esta medida de penetración describe la resistencia promedio de un suelo a través de cierta profundidad alcanzada, la cual se determina como el trabajo realizado por el suelo para detener el cono de penetración, dividido entre la distancia de penetración. 2.4 Diagrama Estructural Figura 3 - Curvas estructurales DCPs, para tráfico liviano, mediano y pesado (Transvaal Roads Department-TPA, 1978). Con posibles propósitos de aplicación al diseño de pavimentos, Transvaal Roads Department-TPA (1978) desarrolló un conjunto de curvas directrices que indican la capacidad de soporte de pavimentos sometidos a condiciones de tráfico ligeras, medianas y severas, como se muestra en la Fig.3. Por lo tanto, se puede comparar cualquier sondeo de DCP con las directrices mencionadas para estimar la pr ofundidad a la cual el material natural actúa como un elemento estructural en el pavimento. 2.5 Correlaciones existentes para el DCP En las últimas décadas se han desarrollado diferentes investigaciones para correlacionar el valor DCP con otras características físico-mecánicas de los suelos; la selección apropiada de este tipo de correlaciones está relacionada con el juicio del profesional en el área y las especificaciones del equipo DCP. La Tabla 1 resume las expresiones más
trascendentales obtenidas con el uso del DCP (equipo normado según ASTM). 2005 2006
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7 Relación entre DCP(mm/golpe) y: Ecuación Autor/Autores Observaciones Módulo Resiliente (Mpa) George y Uddin (2000). Suelos finos. Módulo Resiliente (Mpa) George y Uddin (2000). Suelos gruesos. Compresión No Confinada (kPa) McElvaney y Djatnika (1991). Suelos con limos. 492 , 0
· 1 , 532 −
= DCP MR 475 , 0
· 3 , 235 −
= DCP MR Log (DCP) , , Log (UCS)
809 0 29 3 =
Tabla 1 - Resumen de expresiones para correlacionar el número DCP con otros valores. Relación entre DCP(mm/golpe) y: Ecuación Autor/Autores Observaciones Límite Líquido (%) Gabr, M. et al. (2001) Suelo con alto contenido de finos (60%). Grado de Saturación (%) Gabr, M. et al. (2001) Suelo con alto contenido de finos ( 60% ) . Val o r de So po r t e California (%) Transport Road Research TRRL (1986). Apta para todo tipo de suelos. Val o r de So po r t e California (%) Webster S.L. et al.(1994). Para suelos CH. Val o r de So po r t e California (%) Webster S.L. et al. (1994). Para suelos CL con CBR < 10 %. Módulo Resiliente (Mpa)
Chen D. et al. (2005). Estudio realizado en bases y sub-bases sub-bases de diferentes autopistas de Estados Unidos. Val o r de So po r t e California (CBR %) o expresada también: Van Vur e n ( 1 9 6 8 ) , Kleyn (1975), Livneh e Ishai (1987), Webster (1992) y Siekmeier (1999). Apta para todo tipo de suelos (granulares y cohesivos). 14 1 62 0 , ·Log (DCP) , LL = DCP
e S
⋅
−
−
= 065 , 0
1 ·Log(DCP) , , CBR Log 12 1 465 2 )
( = Log(DCP) , , Log (CBR) 858 0 317 2 = DCP , CBR
⋅=
002871 0 1 6645 , 0
76 , 537
⋅= −
DCP MR
12 , 1 292 D C P CBR = () 2
DCP 0,017019 1 CBR
⋅=
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METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN La metodología empleada se sub-dividió en cinco etapas: 1. La preparación de las muestras bajo estudio, 2. La elaboración de ensayos generales para la determinación de las propiedades físicas de los suelos (caracterización, determinación de la humedad óptima, determinación del peso unitario seco máximo, determinación de gravedad específica de los sólidos, etc.), 3. La elaboración de ensayos específicos del estudio (determinación de valores CBR y DCP en laboratorio) y 4. El proceso de resultados y análisis estadístico. La Tabla 2 resume las características y parámetros físicos de las muestras bajo estudio. Tabla 2 - Clasificación y parámetros de las muestras empleadas. Clasificación Clasificación (AASHTO) (Sistema Unificado) M1 A-1-a Grava limosa con arena (GM) 22,3 22,1 1,2 2,72 22.4 6.0 M2 A-2-4 GM 23,1 21,9 1,2 2,71 21.7 5.7 M3 A-1-b GM 22,0 20,9 1,2 2,71 22.2 6.3 w opt
(%) Gs (g/cm3) Muestra Límite Líquido ( % ) Límite Plástico ( % ) Í ndice Plástico ( % ) γ
max
(kN/m3)
3.1 Ensayos específicos Ensayos DCP Los ensayos de DCP se realizaron en laboratorio con el uso de un molde cilíndrico de 25 cm de diámetro y 43 cm de altura, la energía de compactación utilizada fue de 2700 kNm/m 3
. Realizar el ensayo DCP en laboratorio permitió tener mejor control sobre las condiciones más influyentes en el resultado de un CBR, como lo son la densidad, contenido de humedad y uniformidad de compactación. Una vez con los anillos de carga (249 kg/m 2
), el ensayo de penetración se llevaba a cabo como se muestra en la Fig. 4, la profundidad era registrada al milímetro más cercano y el número de golpes se determinaba según la resistencia que ofrecía dicho material. 2005 2006
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9 Figura 4- Ensayo DCP llevado a cabo en laboratorio. Ensayos CBR
Figura 5 - Gráfica presión resistente versus penetración, para la determinación del valor CBR Ensayo DCP llevado a cabo en laboratorio. En la figura de la izqu ierda, se tiene la configuración del equipo para el ensayo de CBR automático. 2005 2006
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10 Una ventaja en el proceso de realización de ensayos CBR, consistió en la captura automática de datos de carga y deformación que se obtuvo del equipo ELE Multiplex E-50
disponible en el Laboratorio de Suelos UPB, como se muestra en la Fig. 5. 4 RESULTADOS En la búsqueda del modelo de regresión que mejor se adecúe a los datos obtenidos, se realizó un análisis estadístico exhaustivo, se empleó una norma guía (NB 502-89), para la verificación de los supuestos de regresión y algunos criterios como el coeficiente de determinación R 2
, el coeficiente de determinación ajustado R 2 aj
, coeficiente de correlación múltiple, análisis de varianza, suma de cuadrados SC. Finalmente se realizaron pruebas complementarias de multicolinearidad, homocedasticidad y autocorrelación, esta última mediante la prueba de Durbin Watson que diagnostica la presencia de correlación entre residuos consecutivos. 4.1 Relación entre el Contenido de Humedad y el valor DCP Se percibió una gran influencia del contenido de humedad w (%) en la determinación del valor DCP (mm/golpe) . De esta forma se obtuvo la si guiente correlación para relacionar Humedad vs. DCP:
) ( · 897 , 0 099 , 5
DCP Ln w + = (1) Se obtuvo un R 2
= 0,778 para los 45 datos evaluados. Los límites de validez para la ecuación son: 2< DCP< 92. 4.2 Relación entre el Peso Específico Seco y DCP No se encontró ninguna relación directa entre el peso específico seco ( γ d
) y DCP. Sin embargo luego de establecer la Ec.1, se determinó una correlación muy significativa entre γ d
y DCP tomando en cuenta efectos del contenido de humedad. Finalmente se obtuvo laEc.2, que relaciona el peso específico seco γ d
(kN/m3) con el valor DCP (mm/golpe) y contenido de humedad w (%). ) ( 5964 , 0 · 2075 , 0 694
, 21 DCP Ln w
⋅− d
+ = γ
(2) Con R 2
= 50.0 % y R 2 aj
= 36.53 %. 4.3 Relación entre el Peso Específico Seco - Máximo y DCP Generalizando la expresión 2, se obtuvo la siguiente ecuación que describe la relación encontrada entre el Peso Específico Seco ( γ d
), Peso Específico Seco Máximo ( γ d max
) y DCP. w DCP w d d
· 00594 , 0 · 03885 , 0 07235 ,
1 1 max
+ −
=
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝⎛
γ γ
(3) donde: γ d
es el peso específico seco [kN/m 3
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11 γ d max
es el peso específico seco máximo [kN/m 3
]. DCP es la tasa de penetración [mm/golpe]. Sus límites: 2 < DCP < 92. w es en contenido de humedad [%]. Sus límites: 1,3 < w < 10. La Ec. 3 presenta una mejor aplicabilidad respecto a todas las ecuaciones anteriormente desarrolladas. Por ello se realizó un análisis estadístico más detallado: a) Significancia de las variables independientes Se tiene como hipótesis nula que los coeficie ntes de las variables son iguales a cero (b 1
=b 2
=0), si se verifica que el valor de
t de Student calculado para cada variable ⏐
t cal
⏐
es mayor a t ( α ; n-k-1 )
para un nivel de significancia del 5 % ( α
=0,05), la hipótesis nula deberá ser rechazada, concluyéndose que todas las variables son importantes en el modelo. Se tiene t (0,05 ; 12)
= 1,7823 , con n-k-1 = 12 grados de libertad para los 15 grupos de datos estudiados, este valor es verificado con los resultados de la Tabla 3. Tabla 3 - Significancia de las variables de la expresión 3 DCP^(1/w) b1 -6,3735 w b 2 -4,9254 Variable Coeficiente t Calculado
b) Análisis de Varianza La ecuación 3 presento un R 2
de 0,808 y un R 2 aj
= 0,776.Con el uso de la tabla de distribución F de “Snedecor” (Tabla 5) se determin
a F considerando un nivel de tolerancia ( α
= 0,01) para una evaluación de nivel ri guroso especial, según NB – 502/89. Si F calc
>F ( α ; k ; n-k-1 )
= 6,93 (con 12 grados de libertad), se rechaza la hipótesis que indica la no existencia de correlación alguna. La Tabla 4 presenta los resultad os del análisis ANOVA. Tabla 4 - Análisis ANOVA para datos de γ
d/ γ
d max , DCP1/w y w. c) Mínimo número de datos La teoría de regresión indica que el núme ro de datos a evaluar debe ser mayor al número de variables k. Para la evaluación a un nivel riguroso especial, NB – 502/89 exige cierto número de datos definidos por: n ≥
2k + 5 y n ≥
3k. con: n = número de datos muestrales = 15 k = número de variables independientes más dependiente = 3 Se tiene: 15 ≥
2(3) + 5 y 15 ≥
3(3). Error Suma de Estándar ( SE ) Cuadrados ( SS ) Ctte. 1,07235 0,0136187 78,74 Modelo 2 0,00 92084 0,00460 25,31
(DCP)^(1/w) 0,388505 0,00609563 -6,37 Residua l 12 0,0021834 0,00018 w 0 , 00 5 941 0 , 0012061 74 , 93 Tota l 14 0 , 0113918 DF MS F Parámetro Coef. T Fuente
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12 d) Outliers Figura 6 - Gráfico de valores esperados para γ
d/ γ
d max versus residuos estandarizados. Estos puntos atípicos son generados por la gran desviación de los residuos respecto a una desviación patrón (rango aceptable ± 2,0). En la Fig. 6 se verifica la no existencia de outliers irregulares en el modelo. e) Multicolinearidad
Se verifica inexistencia de multicolinearidad entre variables, con el análisis de los gráficos de residuos versus variables independientes, o por la matriz de correlaciones parciales. Evidentemente existe multicolinearidad entre las variables dependientes DCP y w , esta influencia es la causa principal de la eficacia del modelo obtenido. f) Homocedasticidad Figura 7 - Gráfico de homocedasticidad (determinación de aleatoriedad y varianza constante). 2005 2006
i
‐
CIVIL
13 El modelo será considerado como homocedástico si sus residuos poseen una varianza constante. En la Fig. 7 se observa que los residuos se distribuyen aleatoriamente sin vestigio de tendencia alguna, considerando finalmente al modelo propuesto como homocedástico. g) Normalidad de Residuos y Autocorrelación La presencia de una línea recta en la gráfica de probabilidad acumulada versus residuos, es buen indicador de una distribución normal. Así también, la varianza constante de residuos indica que se tiene una muestra normal. El fenómeno de la autocorrelación entre residuos consecutivos, se determina con la prueba de Durbin Watson; se obtuvo el valor de P = 0,3632 esto significa que bajo la hipótesis nula y a un cierto nivel de tolerancia ( α
=0,05), con P>
α
no se rechaza dicha hipótesis. Consecuentemente los datos observados presentan las propiedades de aleatoriedad y varianza constante. El uso de este modelo puede aplicarse fácilmente a la evaluación del nivel de compactación y control de calidad de un relleno o terraplén en ejecución. El valor de γ d max
puede estimarse de la Fig. 8 derivada de la expresión 3. Figura 8- Gráfica bidimensional para la obtención de γ
d/ γ
d max en función de w y DCP .
4.4 Relación entre el Contenido de Humedad, Humedad Óptima y DCP Se encontró una excelente correlación entre las variables de DCP, contenido de humedad ( w ) y contenido de humedad óptimo ( w opt
). Con 1,3 < w < 10 y 2 < DCP < 92. w DCP w w w opt
· 2682 , 0 ·
8708 , 0 6292 , 1 1
−
+ = (4) 2005 2006
i
‐
CIVIL
14 Figura 9 - Variación de wopt /w , DCP y contenido de humedad. En las figuras 9 y 10 se distingue la variación de las variables presentadas en la Ec. 4. Para dicha ecuación, se obtuvo un coeficiente de determinación: R 2
= 0,965 y un R 2 aj
= 0,96. El número de conjuntos de datos fue de 15, cumpliéndose de esta manera con el mínimo número de datos requeridos para el análisis regresional. El valor de Student fue t (0,05;12)
= 1,7823 y F ( 0,01;2;12 )
= 6,93. El valor de Durbin Watson fue P= 0,084 que se encuentra por encima del nivel de significancia. Finalmente, se alega que se cumplieron correctamente todos los supuestos de una regresión múltiple.
Figura 10 - Gráfica para la obtención de wopt /w en función del DCP y w. 4.5 Relación entre el CBR y DCP Se percibió una fuerte relación entre dichos valores, tanto en condiciones normales de preparación como en condiciones de saturación. Ambos grupos de resultados se analizaron por separado, las ecuaciones obtenidas presentaron valores de R 2
de 0,972 y 0,942, respectivamente. Esta relación se expresa mediante las ecuaciones 5a y 5b.
) ( · 975 , 0 38393 , 2 ) ( DCP Log CBR Log −
=
‐
(5a) 2005 2006
i
CIVIL
15 Expresada de otra forma: 975 , 0
242 D C
P CBR = (5b) dónde: CBR es el Valor de Soporte California. DCP está expresado en mm/golpe. Sus límites: 2 < DCP < 92 [mm/golpe]. Los resultados del análisis ANOVA para 30 datos analizados, se presentan en la Tabla 5. El valor de R 2
es de 0,962 con un error estándar 0,107=(0,011395) 1/2
. Tabla 5 - Análisis ANOVA con datos de Log(CBR) y Log(DCP). Error Suma de Estándar ( SE ) Cuadrados ( SS ) Ctte. 2,38393 0,040509 58,8499 Modelo 1 8,02085 8,02085 703,88 Log(DCP) -0,974806 0,036712 -26,531 Residual 28 0,319067 0,011395 Tota l 29 8 , 33992 DF MS F Parámetro Coef. T Fuente
En la Fig. 11, la línea recta de la probabilidad versus los residuos indica una distribución normal en el modelo. El valor-P del análisis Durbin Wats on fue de 0,3784; esto
significa que la Ho a un nivel de tolerancia (> 0,05), no fue rechazada y por lo tanto no existe indicación de autocorrelación en los residuos. Figura 11 - Determinación de la normalidad en la distribución. 4.6 Relación entre el CBR Saturado y DCP Se encontró una relación signi ficativa entre el DCP y el cociente del CBR no saturado (CBR NS
) - CBR saturado (CBR S
) para valores de DCP entre 2 y 92 mm/golpe. ) ( · 8008 , 0 72961 , 1 DCP Log CBR CBR S NS
−
= (6) 2005 2006
i
‐
CIVIL
16 Se obtuvo un R 2
= 0,707 y un error estándar MSE = 0,129 para los 13 datos evaluados. Considerando los efectos del contenido de humedad w (%)
, se determinó la Ec. 7, para contenidos de humedad entre 0,5 y 10%.
w DCP CBR CBR w S NS
· 218015 , 0 · 0418141 , 0 28828 , 2 1
− −
= (7) Figura 12 - Superficie de respuesta del modelo de regresión que explica la variación de CBRNS/CBRS con DCP y w. Se determinó que las variables DCP y w de la Ec. 7, son independientes y tienen gran habilidad para explicar el modelo de regresión (Fig. 12) considerado como homocedástico, sin indicios de autocorrelación entre residuos; ratificándose los supuestos de normalidad fundamentales para un anális is de regresión múltiple. 4.7 Comparación entre DCP y la consistencia del suelo
Tabla 6 - Relaciones para valores obtenidos con el equipo DCP normado por ASTM. D ensidad SP T D CP Relativa de s aturado B urm i ster (%) N ( go l pes /300 mm ) ( mm / go l pe ) -< 4> 76 0 - 40 4 - 10 31 - 76 40 - 70 10 - 30 13 - 31 70 - 90 30 - 50 5 - 13 90 100 > 50 2 5 Cohesión SP T D CP s aturado (kP a
) N ( go l pes /300 mm ) ( mm / go l pe ) < 18 < 2 > 112 18 - 36 2 - 4 56 - 112 36 - 72 4 - 8 31 - 56 72 - 144 8 - 15 15 - 31 > 144 15 30 7 15 Consistente Muy cons i stente Materiales Arenosos Materiales Arcillosos Descripción Muy suave Descripción Muy suelta Suelta Medianamente densa Densa Muy d ensa Suave Firme
APLICACIÒN DEL DCP EN EL CONTROL DE SUBRASANTES Y TERRAPLENES Ing. Adolfo Frateschi, Universidad Nacional de Córdoba Dr. Ing. Franco M. Francisca, Universidad Nacional de Córdoba, CONICET Ing. Lucio Bollano, Universidad Nacional de Córdoba Ing. Andrés Degoy, Universidad Nacional de Córdoba Dr. Ing. Alejandro Tanco, Universidad Nacional de Córdoba, Profesor Titular RESUMEN El control de densidad y compactación de sub-rasantes y sub-bases de pavimentos es uno de los factores principales que limitan el avance constructivo de carreteras. En la provincia de Córdoba generalmente las sub-rasantes y sub-bases se encuentran compuestas por capas de suelos limosos y limo arenosos com pactados (A4-8 según la clasificación HRB). En este estudio se presenta la potencial aplicación del Penetrómetro Dinámico de Cono
(DCP) para la determinación de densidades y humedades en suelos A4-8 compactados. Se analiza el efecto de la energía de penetración del DCP, humedad y densidad del suelo en los resultados obtenidos. A partir de estos resultados, se muestra que es posible obtener correlaciones muy útiles entre los resultados del DCP y la densidad y humedad del suelo compactado. Finalmente, se concluye que el DCP proporciona información valiosa que puede ser utilizada como complemento de los métodos de control de compactación tradicionales, disminuyendo el tiempo empleado en el control constructivo en las obras de compactación de suelos. 1. INTRODUCCIÓN El penetrómetro dinámico de cono (DCP) es una herramienta muy utilizada en la actualidad para realizar auscultaciones in situ, especialmente en el ámbito de la geotecnia. Para usos viales, se han desarrollado diferentes correlaciones entre los resultados del DCP y parámetros característicos del suelo, como el Valor Soporte Relativo (CBR), el Módulo Resiliente y la Resistencia a la Compresión no Confinada (Angelone et al, 1994; Bessone y Delprato, 2000). En Sudáfrica, el DCP fue utilizado como una herramienta útil en la medición de la capacidad estructural del pavimento (Yoder, 1975). En base a ello, se logró desarrollar un método de diseño y refuerzo de pavimentos basado en esta metodología de auscultación (Angelone et al, 1994).
La compactación de suelos es de fundamental importancia en las obras viales. En el presente trabajo se estudia específicamente el control de compactación en suelos limosos de origen loéssico, muy abundantes en la provincia de Córdoba y toda la región central de la República Argentina. En las obras viales, los controles de compactación se realizan generalmente mediante el método del cono de arena. Los resultados que se consiguen con este ensayo, muchas veces se obtienen en tiempos no compatibles con los plazos de obra. En algunos casos se utiliza con el mismo objeto un densímetro nuclear. Sin embargo, esta herramienta es muy costosa y requiere especiales cuidados para su utilización, lo que desalienta su uso en obras de mediana envergadura. Una alternativa o complemento para realizar controles de compactación en obra es el DCP. La estimación del peso unitario de un suelo a partir de una correlación con la penetraci ón del DCP permitiría disminuir los tiempos en la determinación de pesos unitarios de terraplenes y subrasantes mediante un método económico y casi no-destructivo. La penetración mediante golpes con el DCP depende de la densidad relativa de los materiales y el perfil de resistencia del suelo a distintas profundidades, lo cual se obtiene contando el número de golpes necesarios para penetrar una distancia determinada. En este trabajo, se estudia la influencia de la densidad seca con el índice de
penetración obtenido del ensayo DCP. Se analiza la incidencia del tipo de suelo, agua incorporada y energía de penetración en los resultados obtenidos con el DCP. A partir de los resultados obtenidos, se puede afirmar que el DCP es muy útil co mo complemento de un equipo tradicional, para la determinación de la densidad seca in s itu. Este equipo permite obtener información confiable, con un bajo costo en equipamientos y operacional y de fácil manejo. 2. MATERIALES Y ENSAYOS En este trabajo se utilizó un suelo limoso. Con el objeto de conocer las propiedades físicas del suelo se procedió a realizar los ens ayos necesarios para su clasificación, para lo cual se siguieron los lineamientos de las normas de ensayo ASTM, y los lineamientos de las Normas de la Dirección Nacional de Vialidad. Sobre este suelo se realizaron ensayos de pasante tamiz 200, y límites de Atterberg. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 1. Siguiendo los lineamientos de las Normas de la DNV y HRB el suelo en estudio puede ser clasificado como grupo A-4, con índice de grupo 8. Se realizó un ensayo de compactación, para lo cual se adoptó la metodología tipo IV de la norma VN-E5-93 de la DNV. En este ensayo se aplica a la muestra compactada la misma energía que en un ensayo Proctor Standard (6,08 kg.cm/cm³), con la diferencia de que se
utiliza un molde de compactación con un diámetro de 15,25 cm. La utilización de un diámetro mayor permite que las muestras puedan ser ensayadas posteriormente con el DCP. Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 1, en donde se puede observar que la densidad seca máxima es de 1.80 tn/m³, con una humedad óptima de compactación del 14.5 %. TABLA 1: Caracterización del suelo según Norma VN-E4-84. Pasante Tamiz IRAM 75 μm (N° 200) 87%
Límite Líquido 21.4% Límite Plástico 20.0% Índice Plástico 1.4
1.70 1.72 1.74 1.76 1.78 1.80 1.82 10% 12% 14% 16% 18% Contenido de Humedad Densidad Seca [tn/m 3
] FIGURA 1: Curva de Compactación Proctor 2.1. Descripción del DCP El DCP es un equipo que evalúa la resistencia que opone un suelo a ser penetrado por un cono de dimensiones normalizadas. Para la penetración del cono se suministra energía mediante la caída libre de una masa desde una altura prefijada. El DCP utilizado en este trabajo consiste en una barra de acero de alta resistencia, de 16 mm de diámetro, provista de una punta cónica con un diámetro de 20 mm y un ángulo de ataque de 60°. Para las penetraciones se utilizaron masas de 2 y 8 Kg, y una altura de caída de 584 mm. La Figura 2 muestra un esquema de los componentes del DCP y del procedimiento de ensayo. FIGURA 2: Esquema del DCP 2.1. Procedimiento de ensayo Con el objeto de correlacionar los resultados del DCP con la densidad seca de un suelo compactado, se ensayaron las probetas de laboratorio obtenidas del ensayo de compactación. Para ello, se apoyó el cono sobre la superficie de la misma y se introdujo la punta cónica hasta su diámetro mayor. En este momento se tomó la lectura inicial con respecto a la base de la masa, y se procedió a la hinca del cono mediante golpes, tomando
APLICACIÒN DEL DCP EN EL CONTROL DE SUBRASANTES Y TERRAPLENES Ing. Adolfo Frateschi, Universidad Nacional de Córdoba Dr. Ing. Franco M. Francisca, Universidad Nacional de Córdoba, CONICET Ing. Lucio Bollano, Universidad Nacional de Córdoba Ing. Andrés Degoy, Universidad Nacional de Córdoba Dr. Ing. Alejandro Tanco, Universidad Nacional de Córdoba, Profesor Titular RESUMEN El control de densidad y compactación de sub-rasantes y sub-bases de pavimentos es uno de los factores principales que limitan el avance constructivo de carreteras. En la provincia de Córdoba generalmente las sub-rasantes y sub-bases se encuentran compuestas por capas de suelos limosos y limo arenosos com pactados (A4-8 según la clasificación HRB). En este estudio se presenta la potencial aplicación del Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP) para la determinación de densidades y humedades en suelos A4-8 compactados. Se analiza el efecto de la energía de penetración del DCP, humedad y densidad del suelo en los resultados obtenidos. A partir de estos resultados, se muestra que es posible obtener correlaciones muy útiles entre los resultados del DCP y la densidad y humedad del suelo compactado. Finalmente, se concluye que el DCP proporciona información valiosa que puede ser utilizada como complemento de los métodos de control de compactación tradicionales, disminuyendo el tiempo empleado en el control constructivo en las obras de compactación de suelos. 1. INTRODUCCIÓN El penetrómetro dinámico de cono (DCP) es una herramienta muy utilizada en la actualidad para realizar auscultaciones in situ, especialmente en el ámbito de la geotecnia. Para usos viales, se han desarrollado diferentes correlaciones entre los resultados del DCP y parámetros característicos del suelo, como el Valor Soporte Relativo (CBR), el Módulo
Resiliente y la Resistencia a la Compresión no Confinada (Angelone et al, 1994; Bessone y Delprato, 2000). En Sudáfrica, el DCP fue utilizado como una herramienta útil en la medición de la capacidad estructural del pavimento (Yoder, 1975). En base a ello, se logró desarrollar un método de diseño y refuerzo de pavimentos basado en esta metodología de auscultación (Angelone et al, 1994). La compactación de suelos es de fundamental importancia en las obras viales. En el presente trabajo se estudia específicamente el control de compactación en suelos limosos de origen loéssico, muy abundantes en la provincia de Córdoba y toda la región central de la República Argentina. En las obras viales, los controles de compactación se realizan generalmente mediante el método del cono de arena. Los resultados que se consiguen con este ensayo, muchas veces se obtienen en tiempos no compatibles con los plazos de obra. En algunos casos se utiliza con el mismo objeto un densímetro nuclear. Sin embargo, esta herramienta es muy costosa y requiere especiales cuidados para su utilización, lo que desalienta su uso en obras de mediana envergadura. Una alternativa o complemento para realizar controles de compactación en obra es el DCP. La estimación del peso unitario de un suelo a partir de una correlación con la penetraci ón del DCP permitiría disminuir los tiempos en la determinación de pesos unitarios de terraplenes y subrasantes mediante un método económico y casi no-destructivo. La penetración mediante golpes con el DCP depende de la densidad relativa de los materiales y el perfil de resistencia del suelo a distintas profundidades, lo cual se obtiene contando el número de golpes necesarios para penetrar una distancia determinada. En este trabajo, se estudia la influencia de la densidad seca con el índice de penetración obtenido del ensayo DCP. Se analiza la incidencia del tipo de suelo, agua
incorporada y energía de penetración en los resultados obtenidos con el DCP. A partir de los resultados obtenidos, se puede afirmar que el DCP es muy útil como complemento de un equipo tradicional, para la determinación de la densidad seca in s itu. Este equipo permite obtener información confiable, con un bajo costo en equipamientos y operacional y de fácil manejo. 2. MATERIALES Y ENSAYOS En este trabajo se utilizó un suelo limoso. Con el objeto de conocer las propiedades físicas del suelo se procedió a realizar los ens ayos necesarios para su clasificación, para lo cual se siguieron los lineamientos de las normas de ensayo ASTM, y los lineamientos de las Normas de la Dirección Nacional de Vialidad. Sobre este suelo se realizaron ensayos de pasante tamiz 200, y límites de Atterberg. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 1. Siguiendo los lineamientos de las Normas de la DNV y HRB el suelo en estudio puede ser clasificado como grupo A-4, con índice de grupo 8. Se realizó un ensayo de compactación, para lo cual se adoptó la metodología tipo IV de la norma VN-E5-93 de la DNV. En este ensayo se aplica a la muestra compactada la misma energía que en un ensayo Proctor Standard (6,08 kg.cm/cm³), con la diferencia de que se utiliza un molde de compactación con un diámetro de 15,25 cm. La utilización de un diámetro mayor permite que las muestras puedan ser ensayadas posteriormente con el DCP. Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 1, en donde se puede observar que la densidad seca máxima es de 1.80 tn/m³, con una humedad óptima de compactación del 14.5 %. TABLA 1: Caracterización del suelo según Norma VN-E4-84. Pasante Tamiz IRAM 75 μm (N° 200) 87%
Límite Líquido 21.4% Límite Plástico 20.0% Índice Plástico 1.4
1.70 1.72 1.74 1.76 1.78 1.80 1.82 10% 12% 14% 16% 18% Contenido de Humedad Densidad Seca [tn/m 3
] FIGURA 1: Curva de Compactación Proctor 2.1. Descripción del DCP El DCP es un equipo que evalúa la resistencia que opone un suelo a ser penetrado por un cono de dimensiones normalizadas. Para la penetración del cono se suministra energía mediante la caída libre de una masa desde una altura prefijada. El DCP utilizado en este trabajo consiste en una barra de acero de alta resistencia, de 16 mm de diámetro, provista de una punta cónica con un diámetro de 20 mm y un ángulo de ataque de 60°. Para las penetraciones se utilizaron masas de 2 y 8 Kg, y una altura de caída de 584 mm. La Figura 2 muestra un esquema de los componentes del DCP y del procedimiento de ensayo. FIGURA 2: Esquema del DCP 2.1. Procedimiento de ensayo Con el objeto de correlacionar los resultados del DCP con la densidad seca de un suelo compactado, se ensayaron las probetas de laboratorio obtenidas del ensayo de compactación. Para ello, se apoyó el cono sobre la superficie de la misma y se introdujo la punta cónica hasta su diámetro mayor. En este momento se tomó la lectura inicial con
respecto a la base de la masa, y se procedió a la hinca del cono mediante golpes, tomando lecturas parciales, de penetración por golpe. El ensayo se detiene antes de atravesar completamente la muestra para no golpear la base del molde de compactación con la punta del cono. De esta forma, se descartó el sector inferior de la muestra en donde por otro lado podrían obtenerse valores no representativos de penetración producidos por los efectos locales de la base del molde de compactación. Una vez finalizada la hinca, se determinó la humedad de la muestra, obteniéndose de esta manera para cada una de ellas, valores de penetración, densidad y humedad. 3. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 3.1. Estudio de la Energía de Penetración En el presente trabajo se realizaron un total de 147 ensayos de compactación y penetración. Se utilizó el DCP con la masa de 2 y 8 Kg y una altura de caída de 58.4 cm. En función de los resultados de la curva de compactación (Figura 1), el rango de humedades estudiadas fue del 7% al 18%. En las Figuras 3 a 6 se presentan los resultados obtenidos. Las Figuras 3 y 4 muestran la variación del índice de penetración (DN) con la densidad seca para humedades menores y mayores a la óptima de compactación respectivamente. Las Figuras 5 y 6 muestran la variación del índice de penetración (DN) con el contenido de humedad volumétrico para humedades menores y mayores a la óptima de compactación respectivamente.
1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 0,00 5,00 10,00 15,00
DN [mm/golpe]
Densidad Seca [tn/m 3
] 8kg-DN<15 2Kg-DN<3
FIGURA 3: Relación Densidad Seca-DN obtenidas con la penetración de las masas de 2 y 8 Kg para humedades inferiores a la óptima.
1.55 1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
DN [mm/golpe] Densidad Seca [tn/m 3
] 8Kg-DN>15 2Kg-DN>3
FIGURA 4: Relación Densidad Seca-DN obtenidas con la penetración de las masas de 2 y 8 Kg para humedades superiores a la óptima 10 15 20 25 30 0.00 5.00 10.00 15.00
DN [mm/golpe] Humedad Volumétrica [%] 8Kg-DN<15 2Kg-DN<3
FIGURA 5: Relación Humedad Volumétrica-DN obtenidas con la penetración de las masas de 2 y 8 Kg para humedades inferiores a la óptima
20 22 24
26 28 30 32 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
DN [mm/golpe]
Humedad Volumétrica [%] 8Kg-DN>15 2Kg-DN>3
FIGURA 6: Relación Humedad Volumétrica-DN obtenidas con la penetración de las masas de 2 y 8 Kg para humedades superiores a la óptima Los resultados experimentales muestran que cuando se utilizó la masa de 8 kg para la penetración, se obtuvo una gran dispersión en los resultados. Esta dispersión fue muy importante en las muestras de suelo compactadas en la rama seca, en donde no se pudo observar ninguna tendencia clara en los resultados obtenidos. En este trabajo se atribuyó la baja sensibilidad lograda en los resultados, a la excesiva energía de penetración utilizada en los ensayos. Esto justifica que para una amplia gama de humedades, no se registraran variaciones importantes en el DN. Por otro lado, en similares muestras, los resultados obtenidos con la masa de 2 Kg mostraron una clara tendencia, permitiendo correlacionar el índice de penetración DN con la densidad seca y la humedad volumétrica del suelo compactado. Para la masa de 8 Kg. se advierte que el comportamiento varía para muestras con valores de DN mayores a 15. Este valor corresponde con el obtenido en las muestras compactadas con la humedad óptima. Similar tendencia se observó al utilizar la masa de 2 Kg, en donde el comportamiento varía a partir de DN = 3, valor que también coincide con el obtenido en las muestras compactadas en el óptimo del ensayo Proctor. 3.2 Efecto de la Humedad y Densidad Debido a la mayor sensibilidad que se obtiene al utilizar la masa de 2 Kg. para las
penetraciones, se adoptó la mencionada energía de penetración para el estudio de la influencia de la humedad y densidad en el índice de penetración DN obtenido. Las Figuras 7 y 8 presentan los resultados obtenidos para el rango completo de humedades estudiadas. Observe que en la rama seca, para mayores densidades secas se obtiene mayores valores de DN, mientras que en la rama húmeda a medida que crece el DN disminuye la densidad seca. Este comportamiento se debe a que a medida que el suelo es más denso, mayor es la resistencia del mismo a ser penetrado. Además, en la rama húmeda, al encontrarse el suelo con mayor grado de saturación, la succión existente o presión capilar entre los granos de suelo es menor. Debido a ello, a igual densidad, el suelo en la rama húmeda presenta una menor resistencia a ser penetrado, lo que se manifiesta en mayores valores de DN (Figura 7). FIGURA 7: Relación Densidad Seca-DN En la Figura 8, se presenta la variación del DN con la humedad volumétrica del suelo. En la misma puede notarse que la humedad aumenta con el índice de penetración, observándose un importante aumento del DN cuando las muestras se encuentran en la rama húmeda del suelo. Este comportamiento es atribuido a dos efectos. En primer lugar, la disminución de la succión del suelo al aumentar la saturación del mismo, lo que disminuye la resistencia a la penetración (Fredlund y Rahardjo, 1993). En segundo lugar, los valores de DN son una medida relativa de la resistencia del suelo. Cuando se compacta al suelo en la rama seca, se obtiene en el mismo una estructura floculada, mientras que en la rama húmeda se obtiene una estructura dispersa (Seed et. al, 1960). Suelos con igual densidad seca y con una estructura floculada tienen mayor resistencia al corte que el mismo suelo con 1,55 1,60 1,65
1,70 1,75 1,80 1,85 0 5 10 15 20 25 30
DN [mm/golpe] Densidad Seca [t/m 3
] una estructura dispersa (Seed et. al, 1960; Francisca et. al, 1998). Esto explica el importante aumento de DN que se observa en las muestras con humedades mayores a la optima de compactación (Figura 8) aun con similares densidades secas. Por lo tanto, la caída de resistencia del suelo puede atribuirse al efecto que produce una mayor humedad de compactación.
0 5 10 15 20 25 30 35 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
DN [mm/golpe] Humedad Volumétrica [%] FIGURA 8: Relación Humedad Volumétrica-DN 4. DISCUSIÓN Los resultados experimentales fueron analizados mediante regresiones múltiples de las variables que gobiernan el problema. Se asumió al índice de penetración DN como variable dependiente, y a distintas funciones de la densidad y humedad como variables independientes. El mejor ajuste se obtuvo para la función: DN = 2.4 – 46.2 w + 18.0 log( γ d
/ w) –1.1
δ [1]
En donde w es la humedad del suelo, γ d
la densidad seca del mismo, y δ
es una variable “dummy” que adopta el valor 0 para humedades
menores a la óptima, y 1 para humedades mayores a la óptima de compactación. A partir de las reg resiones múltiples realizadas se logró determinar que la humedad es el parámetro de mayor influencia en los resultados obtenidos con e l DCP. Para la ecuación 1, el coeficiente de ajuste entre la correlación obtenida y los resultados experimentales fue de R 2
= 0.91. Por otro lado, se desarrollo una metodología basada en funciones de aproximación que permite obtener la densidad seca del suelo en forma expeditiva. La Figura 9 muestra el procedimiento para obtener la densidad seca del suelo a partir del índice de penetración DN obtenido con el DCP. Para ello, se utilizaron funciones del log(w/ γ d
), las cuales representan en forma adecuada los resultados según las correlaciones múltiples realizadas. En la misma Figura 9 se presentan como comparación los resultados experimentales obtenidos en este trabajo. En la Figura 7 se muestra mediante una línea continua los valores de densidad seca obtenidos con el procedimiento anteriormente descripto. En todos los casos, el error relativo entre los valores medidos y calculados fue inferior al 4%. Esto indica que para un determinado suelo es posible obtener curvas de calibración que permitan correlacionar de manera confiable los resultados del DCP con la densidad seca de un suelo compactado. FIGURA 9: Procedimiento para la obtención de la densidad seca a partir del DN 5. CONCLUSIONES
En este trabajo se presentaron resultados experimentales sobre la compactación de un suelo A4-8, el cual fue ensayado mediante un penetrometro dinámico de cono (DCP). A partir de los resultados obtenidos se puede concluir de la siguiente manera: 0 5 10 15 20 25 30 00,511,5 Log ( γ d
/w) DN 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50 1,70 1,90 2,10 2,30 γ
d Log ( d/w)
•
Con el DCP se puede obtener importante información sobre la compactación de un suelo a un bajo costo y en corto tiempo. •
La energía de penetración del DCP influye en los resultados obtenidos. A mayor energía (masa) menor es la sensibilidad del DCP para determinar la densidad seca y humedad del suelo, cuando el mismo se encuentra compactado en la rama seca. •
Se observa un comportamiento muy diferente cuando el suelo se encuentra
compactado con humedades inferiores a la óptima, respecto del mismo suelo compactado con humedades mayores a la optima. Este diferente comportamiento fue atribuido en este trabajo a efectos de saturación y estructura del suelo. •
Con el DCP es posible determinar en forma confiable la densidad seca de un suelo compactado. Su potencial aplicación seria aplicarlo como complemento de otro equipo tradicional, en donde se haga una calibración previa y luego se continúe con el DCP para controlar en forma rápida la homogeneidad de la zona en estudio. •
Una alternativa para facilitar el control de compactación mediante el DCP, es realizar una calibración con este equipo para el suelo que se desea monitorear. Luego, realizar una prueba piloto de compactación con la humedad óptima determinada en laboratorio, y realizar los controles de densidad a través del número de golpes determinado con el DCP. De esta forma, conociendo la humedad de compactación del suelo, y las curvas de calibración DCP-densidad seca, es posible obtener resultados confiables que facilitan el control de compactación. La principal razón, se debe a que en este caso es posible reducir considerablemente el número de controles mediante métodos tradicionales, y se puede obtener una importante cantidad de puntos de control a un bajo costo. 6. REFERENCIAS Angelone, S.; Tosticarelli, J.; Martínez, F, 1994, “Aplicación del
Penetrómetro Dinámico de Cono en Obras Viales y Controles de Compactación”, Centro de
Transferencia de Tecnología Nº3 I.P.C., Instituto de Estudios de Transporte, Laboratorio Vial I.M.A.E., F.C.E.I.y A. Universidad Nacional de Rosario. Bessone E. y Delprato F., 2000, “ Correlacion entre los parámetros geotécnicos y el Ensayo
