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8/18/2019 El Cono en la Exploracion Geotecnica.pdf

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El Cono en laExploración Geotécnica

Abril de 2012

Enrique SantoyoRiqing Lin XueEfraín Ovando

Editor: Mario Trigo

El Cono en la Exploración Geotécnica


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Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier mediosin permiso por escrito del propietario del COPYRIGHT

1° Edición, 1989

1° Reedición, 2012

Reeditado por: Mario Trigo L.

Diseño gráfico, portada y formación editorial: Luis Miguel Zúñiga M.

Reconstrucción digital de las figuras: Rubén Torres O., Luis Miguel Zúñiga M., Luis Carlos Sánchez V.,Edgar Guerra G., Nathaly Janeth Silva C. y Alejandro Chávez M.

COPYRIGHT 1989 COPYRIGHT 2012

TGC Geotecnia S. A. de C. V.Adolfo Prieto No. 1238Col. Del Valle C.P. 03100 México D. F.Tel 55-75-31-50México, 2012

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Origen del cono. El cono estático mecánico es una vieja herramienta desarrollada haceunos 80 años en Holanda, su empleo sorprendentemente quedó confinado a los países delnorte de Europa, por lo que incluso se le calificaba como un aparato de utilidad local. Lavariante electrónica de este dispositivo, introducida en 1963, ha causado un verdaderoimpacto tecnológico que de inmediato ha ganado lugar en la práctica de la ingeniería,advirtiéndose en las publicaciones técnicas el gran interés que ha despertado y por ello noes aventurado asegurar que su evolución, tanto instrumental como de correlaciones ycriterios de interpretación, lo transformarán en una herramienta de aplicación rutinaria y

confiable.En cuanto al cono dinámico, se puede decir que fue sin duda la primera herramienta deexploración geotécnica que se utilizó, mencionada en casi todos los libros de mecánica desuelos; sin embargo, ha caído en el abandono y desuso, aparentemente superado por laprueba de penetración estándar. En este trabajo se plantea la conveniencia de reconocersu utilidad actual y mantenerlo como parte de los instrumentos de los que se vale elingeniero para explorar el subsuelo; para avalar esta posición se muestran ejemplos en losque el cono estático no hubiera penetrado y la prueba de penetración estándar hubiera sidolenta y burda.

Características y propósito de este trabajo. Se trata de una recopilación de la informacióntécnica publicada sobre la exploración con conos, complementada con las experiencias enque los autores han participado y de las que, por ello, disponen de información. Laintención al publicarla es por la utilidad que podría alcanzar como referencia para lasolución de problemas de exploración del subsuelo.

INTRODUCCIÓN



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1 ANTECEDENTES Y PERSPECTIVAS DEL CONO EN MÉXICO

2 TIPOS DE PRUEBAS DE CONO

2.1 INTRODUCCIÓN

2.2 PRUEBA DE CONO ELÉCTRICO

2.2.1 Descripción del equipo 2.2.2 Calibración de las celdas 2.2.3 Mecanismo de carga 2.2.4 Ejecución de la prueba 2.2.5 Determinación de las resistencias 2.2.6 Resultados típicos 2.2.7 Comentarios

2.3 PRUEBA DE CONO MECÁNICO

2.3.1 Descripción del equipo 2.3.2 Calibración del equipo 2.3.3 Mecanismo de carga 2.3.4 Ejecución de la prueba 2.3.5 Determinación de las resistencias 2.3.6 Resultados típicos 2.3.7 Comentarios

2.4 PRUEBA DE CONO DINÁMICO

2.4.1 Descripción del equipo 2.4.2 Calibración de conos 2.4.3 Mecanismo de carga 2.4.4 Ejecución de la prueba 2.4.5 Determinación de las resistencias 2.4.6 Resultados típicos 2.4.7 Comentarios

CONTENIDO

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2.5 PRUEBA DE CONO ESTÁTICO DINÁMICO

2.5.1 Descripción del equipo 2.5.2 Determinación de la resistencia 2.5.3 Resultados típicos 2.5.4 Comentarios

3 CORRELACIONES EMPÍRICAS

3.1 INTRODUCCIÓN

3.2 CORRELACIONES CON EL CONO ESTÁTICO

3.2.1 Clasificación indirecta de suelos 3.2.2 Resistencia de suelos cohesivos

3.2.3 Resistencia al corte de suelos no cohesivos 3.2.4 Resistencia de suelos cohesivos friccionantes 3.2.5 Compresibilidad de suelos blandos 3.2.6 Densidad relativa de arenas

3.3 CORRELACIONES CON EL CONO DINÁMICO

3.4 COMENTARIOS

4 CORRELACIONES CON PROPIEDADES DINÁMICAS

4.1 INTRODUCCIÓN

4.2 PROPIEDADES DINÁMICAS DE LOS SUELOS

4.3 OBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROS DINÁMICOS

4.4 DETERMINACIÓN DE Vs EN LA CD DE MÉXICO

4.4.1 Antecedentes 4.4.2 Resultados obtenidos

4.5 COMENTARIOS

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5 CONCEPTOS TEÓRICOS

5.1 INTRODUCCIÓN

5.2 TEORÍAS DE CAPACIDAD DE CARGA

5.3 EXPANSIÓN DE CAVIDADES

5.4 TRAYECTORIA DE DEFORMACIONES

5.5 COMENTARIOS

6 EXPLORACIÓN DE LLANURAS ALUVIALES

6.1 PRESENTACIÓN

6.2 SITIO MARGINAL DEL RÍO COATZACOALCOS

6.2.1 Introducción 6.2.2 Descripción general de la zona 6.2.3 Rasgos típicos del subsuelo en llanuras de inundación 6.2.4 Estratigrafía y propiedades de los suelos 6.2.5 Conclusiones

6.3 SITIO MARGINAL DEL RÍO TAMESÍ

6.3.1 Introducción 6.3.2 Estratigrafía y propiedades de los suelos 6.3.3 Conclusiones

7 EXPERIENCIA EN LA CIUDAD DE MÉXICO

7.1 INTRODUCCION

7.2 TÚNEL EN SUELOS ARCILLOSOS BLANDOS

7.2.1 Generalidades 7.2.2 Trabajos de campo 7.2.3 Perfil estratigráfico del sitio 7.2.4 Trabajos de laboratorio 7.2.5 Resistencia al corte 7.2.6 Correlaciones de la información obtenida 7.2.7 Conclusiones

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59

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81

81

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7.3 EXPLORACIÓN DEL CENTRO DE LA CIUDAD

7.3.1 Generalidades 7.3.2 Estratigrafía de la zona 7.3.3 Perfil estratigráfico 7.3.4 Resistencia al corte 7.3.5 Zonificación del subsuelo 7.3.6 Conclusiones

7.4 SONDEOS EN DIVERSOS SITIOSDE LA CIUDAD

7.4.1 Generalidades 7.4.2 Ejemplos de exploración con cono

7.5 DETECCIÓN DE PECULIARIDADES

DEL SUBSUELO 7.5.1 Consolidación por sobrecargas y bombeo 7.5.2 Detección de fisuras 7.5.3 Características de la capa dura 7.5.4 Conclusiones

7.6 INTERPRETACIÓN DE SONDEOS

7.6.1 Fundamentos teóricos de correlación 7.6.2 Esfuerzo vertical efectivo

7.6.3 Fenómeno de evolución de la resistencia 7.6.4 Coeficiente de compresibilidad volumétrica 7.6.5 Resistencia no drenada 7.6.6 Conclusiones

7.7 COMENTARIOS

8 CAPACIDAD DE CARGA EN PILOTES

8.1 METODOLOGÍA DE ANÁLISIS

8.2 CAPACIDAD DE CARGA

8.2.1 Conceptos básicos 8.2.2 Expresiones de cálculo

iv

95

103

105

112

125

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127

127


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8.3 PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS

8.3.1 Introducción 8.3.2 Método Begemann 8.3.3 Método Soletanche 8.3.4 Método Nottingham 8.3.5 Método Schmertmann 8.3.6 Método Tumay

8.4 PILOTES EN LA CIUDAD DE MÉXICO

8.4.1 Correlaciones del cono con pilotes de fricción 8.4.2 Mecanismo de transferencia de carga

8.5 COMENTARIOS

9 PREDICCIÓN DE LA SUSCEPTIBILIDAD DE LICUACIÓN

9.1 INTRODUCCIÓN

9.2 FACTORES SIGNIFICATIVOS

9.3 MÉTODO PARA ESTIMAR EL POTENCIALDE LICUACIÓN

9.3.1 Medición de la resistencia

9.3.2 Determinación del estado de esfuerzos 9.3.3 Comparación estadística

9.4 EJEMPLO DE APLICACIÓN

9.5 SONDEOS TÍPICOS EN DEPÓSITOS LICUABLES

9.6 COMENTARIOS

10 CONTROL DE COMPACTACIÓN DE SUELOSGRANULARES

10.1 INTRODUCCIÓN

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141

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151

151

151

151

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10.2 CONTROL DE LA COMPACTACIÓN DE ARENAS

10.2.1 Metodología experimental10.2.2 Correlación entre la compacidad y la prueba de cono

10.2.3 Pruebas de cono

10.3 PRUEBAS DE COMPACTACIÓN

10.3.1 Programa de pruebas 10.3.2 Evaluación de las técnicas de control 10.3.3 Influencia del tiempo de humedecimiento 10.3.4 Espesor compactado

10.4 DETERMINACIÓN DE LA COMPACIDAD RELATIVA

10.4.1 Objetivo

10.4.2 Condiciones de compacidad10.4.3 Resultados obtenidos

10.5 CONTROL DE COMPACTACIÓN

10.5.1 Alcance10.5.2 Criterio de control10.5.3 Criterio de aceptación10.5.4 Secciones de control de compactación

10.6 ESPESOR DEL TERRAPLÉN

10.6.1 Técnica de determinación10.6.2 Ejemplo de aplicación

10.7 CONCLUSIONES SOBRE LA COMPACTACIÓNDE ARENAS

10.8 CONTROL DE LA COMPACTACIÓN DINÁMICADE ALUVIONES

10.8.1 Antecedentes10.8.2 Procedimiento de compactación10.8.3 Metodología experimental

vi

163

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177


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10.9 SONDEOS PREVIOS Y POSTERIORES A LACOMPACTACIÓN

10.9.1 Sondeos de cono dinámico10.9.2 Sondeos con cono SERMES

10.9.3 Sondeos con presiómetro Menard

10.10 PROFUNDIDAD DE INFLUENCIA

10.11 UNIFORMIDAD DE LA COMPACTACIÓN DINÁMICA

10.12 CONCLUSIONES SOBRE LA COMPACTACIÓNDINÁMICA

11 CUIDADOS Y ERRORES CON EL CONO ELÉCTRICO

11.1 INTRODUCCIÓN

11.2 EQUIPO NECESARIO PARA LA PRUEBA

11.3 PREPARACIÓN PREVIA

11.4 PROBLEMAS COMUNES Y SU CORRECCIÓN

11.4.1 Verticalidad de las barras11.4.2 Desajuste electrónico

11.4.3 Velocidad de hincado11.4.4 Lecturas inestables11.4.5 Deformación limitada de la junta11.4.6 Humedad en el cono

11.4.7 Picos mínimos 11.4.8 Resumen

11.5 CAPACITACION DEL OPERADOR Y SUPERVISIÓN

11.6 COMENTARIOS

12 TÉCNICAS RECIENTES CON CONO ELÉCTRICO

12.1 INTRODUCCIÓN

12.2 DESCRIPCIÓN DE LOS CONOS DESARROLLADOS

vii

177

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181

183

183

183

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195



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12.2.1 Generalidades12.2.2 Medición de la resistencia de punta12.2.3 Medición de la resistencia de fricción12.2.4 Relación de fricción12.2.5 Profundidad de la medición12.2.6 Inclinación con la vertical

12.2.7 Piezocono 12.2.8 Cono sísmico

12.2.9 Medición de la temperatura 12.2.10 Resistividad eléctrica

12.2.11 Cono nuclear12.2.12 Conductividad eléctrica12.2.13 Cono acústico

12.3 TÉCNICAS DE HINCADO 12.3.1 Sistema convencional

12.3.2 Sistema con cable 12.3.3 Sistema sumergible

12.4 REGISTRO DE LA INFORMACIÓN

12.5 COMENTARIOS

13 METODOLOGÍA DE UNA EXPLORACIÓN

13.1 INTRODUCCIÓN

13.2 MARCO GEOLÓGICO

13.3 RECONOCIMIENTO DEL SITIO

13.4 HERRAMIENTAS DE EXPLORACIÓN

13.5 MEDICIONES DE CAMPO

13.5.1 Cono estático13.5.2 Presiómetros

13.5.3 Dilatómetro

viii

195

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204

204

205

205

205

208

208

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13.6 MUESTREO INALTERADO

13.7 SUPERVISIÓN TÉCNICA

13.8 CONCLUSIONES

14 REFERENCIAS

211

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212

213

ix


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1

ANTECEDENTES Y PERSPECTIVASDEL CONO EN MÉXICO

Cono dinámico. la usóEsta herramienta el Ing. Enrique Tamez en exploracionesrealizadas en el año 1964, cayó en desuso a pesar de su utilidad y fue hasta 1973, durantelos trabajos de exploración en SICARTSA, cuando se intentó emplear el cono dinámicoSermes, con un esfuerzo tan limitado que no le permitió demostrar sus posibilidades.Posteriormente, en 1976, se utilizó un cono dinámico para juzgar la efectividad de lacompactación dinámica de los materiales de la cortina de la Presa Peñitas y, másrecientemente, se empleó otro para explorar las calcarenitas blandas de Cancún, así comolacapaduray los depósitos profundos del Valle deMéxico.

Cono mecánico. primer cono estático-mecánico que operó en lo trajo elEl México Ing.Roberto Avelar (Avelar, 1983) se utilizó en 1962 para controlar dos trabajos de;compactación de arena realizados con la técnica de vibroflotación: en un almacén en laciudad de Veracruz y en las instalaciones del Puerto Pesquero de Alvarado, lugares dondedemostró, sobre todo en el segundo proyecto, su valía como herramienta de exploración ycontrol (Tamez, 1985).A pesar de estos éxitosy de la disponibilidad del equipo, no se volvióa utilizar sino hasta 1967, cuando Romeo Enríquez hizo un sondeo en el Palacio de losDeportes de la Ciudad de México (Enríquez, 1986); posteriormente, en 1974, Solumintentó operar este mismo equipo para la exploración de los aluviones del delta del RíoBalsas en la Siderúrgica SICARTSA. Evidentemente estas aplicaciones fueron

insuficientes para acumular experiencias en el uso del cono y demostrar su utilidad y, porello,noconsolidóunlugarconfiableennuestromedio.

Cono eléctrico. La primera oportunidad para introducir el uso de esta técnica en nuestropaís se presentó en el Proyecto Texcoco en 1967, para el que se pensó desarrollar un conoeléctrico que permitiera explorar con eficiencia una vasta zona del Lago de Texcoco; sediseñó uno que desafortunadamente no llegó a fabricarse (Santoyo, 1968), porque en eseentonces se considerómás confiable realizarel trabajo conveleta. En 1979 se presentó otraoportunidad para desarrollar esta herramienta: la Secretaría de Agricultura y RecursosHidráulicos, para complementar el estudio geotécnico de la Presa Tamesí, patrocinó alInstituto de Ingeniería la construcción de un cono eléctrico similar alde la UNAMdiseñado por e Ruiter(Santoyo , 1981; e Ruiter,1971); con ese primer aparatod - y Olivares d -se exploró el sitio de la presa y además se utilizó en una breve campaña de sondeos para elInterceptor Central del Sistema de Drenaje de la Ciudad de México. Este segundo trabajohizo evidente el potencial del cono como una notable herramienta de exploracióngeotécnica (Santoyo,1980;Santoyo 1982) y fue, gracias al impulso quele dioCOVITUR en,los estudios de las líneas 4, 8 y 9 del Metro de la Ciudad de México, que ha ganado el lugarque tiene. La experiencia acumulada en esos proyectos forma parte del Manual deEstudiosGeotécnicosdeCOVITUR (Tamez al,1987).et

1El Cono en la Exploración Geotécnica


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Desarrollo futuro de los conos. La aceptación del uso del cono eléctrico en México comoherramienta de exploración confiable,ha sido una labor difícil y, aunque sólo se dispone deuna primera versión, su empleo ha tomado su curso; sin embargo, debe reconocerse lanecesidad dedarle mayor impulso para que alcance elnivel que actualmente tiene enotrospaíses; el desarrollo que se propone elevará la calidad de la exploración del subsuelo yevitará la dependencia tecnológica en este aspecto. En cuanto al cono dinámico,

simplementese propone mantenerabierta laposibilidadde utilizarlo.

2


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2 TIPOS DE PRUEBAS DE CONO

2.1 INTRODUCCIÓN

Se presentan aquí los aspectos generales de las pruebas de conos eléctrico, mecánico ydinámico. Acerca deleléctrico se describe el modelo másconvencionaldesarrollado por ed -Ruiter ( e Ruiter, 1971), cuyos modelos y tecnologías más recientes se incluyen en eld -capítulo 12. Del cono mecánico se muestran las puntas más clásicas: Delft y Begemann.Sobre los conos dinámicos se detalla el tradicional cono perdible y se presentanesquemáticamente el Sermes y el Sueco de impacto; se incluye también una breve

descripción del penetrómetro Andina que inició el concepto de penetrómetro estático-dinámico.

Las pruebas de cono pueden ser del tipo quasi-estático o dinámico y se aplican según lasvariaciones, con la profundidad, de las resistencias a la penetración de punta y fricción; lainterpretación de estos parámetros permite definir con precisión los cambios en lascondiciones de la estratigrafía del sitio y estimar la resistencia al corte de los suelosmediantecorrelaciones empíricas.

2.2 PRUEBADECONOELÉCTRICO

2.2.1 Descripcióndelequipo

El penetrómetro aquí descrito tiene las características del sistema Fugro,quese utiliza entodoslostiposdesuelo( e Ruiter,1971;Sanglerat,1972).d -

Punta de carga. Es una celda de carga con dos unidades sensibles instrumentadas condeformómetros eléctricos o strain gages (Santoyo et al, 1981); usualmente tiene 2 ton decapacidad de carga y resolución de 1 kg pero, en el caso de suelos duros, podrá alcanzar 5ton de capacidad y 2 kg de resolución. La Fig. 2.1 muestra esquemáticamente elinstrumento: generalmente tiene 3.6cm de diámetro exterior, aunquepara suelosblandossehautilizado hasta de7.0 cm( e Ruiter,1981).d -

Funcionamiento. Como se observa en la Fig 2.1, la fuerza que se desarrolla en la puntacónica (1) se mide en la celda inferior (2) y la que se desarrolla en la funda de fricción (3) semide en la celda superior (4). Se construyen también conos en los que la primera celdacaptalafuerzaylasegundalasumatoriadepuntayfricción.

Registro de medición. La señal de salida del cono se transmite con cables a un aparatoreceptor en la superficie, que la transforma en señal digital y la presenta numérica ográficamente.

3



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Fig. 2.1 Corte transversal del Penetrómetro Eléctrico

4

Elemento sensible. Es una pieza de bronce, aleación SAE64 (Fig 2.1), en la que se hanlabrado las dos celdas (2) y (4) para medir las fuerzas axiales que se transmiten al cono y ala funda. Las características del bronce elegido son: límite elástico de 1 250 kg/cm² ymódulo de elasticidad de 910 000 kg/cm². La Fig 2.2 muestra el diagrama de,instrumentación realizado con deformómetros eléctricos tipo “foil gage” de 350 ohms enarreglo de puente completo al que, para equilibrarlo y darle estabilidad térmica atemperatura ambiente, se le hanincorporado resistores térmicos.

2.2.2 Calibraciónde lasceldas

En la fig 2.3 se muestran calibraciones típicas de un cono eléctrico de 2 a 5 ton de

capacidad; de ellas se deduce que la precisión de las mediciones del esfuerzo en la punta es0.1 kg/cm², y 0.01 kg/cm² para el de fricción, con sensibilidad de 1/5 de los valoresanteriores. En las curvas se observa un comportamiento lineal en la celda de punta, desde0.0 hasta 49.0 kg/cm² (Fig. 2.3 a); en la fricción se nota un comportamiento errático paraesfuerzos menores de 0.03 kg/cm². Esta pérdida de sensibilidad se debe a la presencia delos arosellos que impermeabilizan el dispositivo; sin embargo, para esfuerzos mayores yhasta de 2.0 kg/cm² se comporta linealmente (Fig 2.3 b). En las calibraciones se comprobóque el cono no transmite carga a la funda de fricción, es decir, que ambas celdas sonindependientes.

9

8

36 Ø

7

5

1

3

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2

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10

1

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13

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25.4 Ø

98.5130

Corte A-A

Corte B-B

12

A A'

B B'

Cono (60°, Ø 36mm,10.18 cm )2

Celda de punta

Funda de fricción (Ø 36mm, 147.02 cm )2

Celda de fricción

Elemento sensible (Bronce SAE-64)

Pieza de empuje

Perno de sujeción (3 @ 120°)

Cople conector a la tubería EW

Cable conector blindado de 8 hilos

Sello de silicón blando

Rondana de bronce

Deformómetros eléctricos

Aro-sello

a) Conjunto b) Elemento sensible

45°

Acotaciones en mm


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5

Elementosdelasceldasdepuntayfricción:

1.- Deformómetros eléctricos(straingages) marca Micromeasurements tipofoil gagede350, clave MA-06-250-BF-350, cementados conadhesivoepóxico tipo M-BOND-43-B, impermeabilizados conMCOAT “D”y MCOAT “C”.

2.- Resistordebalco,calculado paralos módulosdeelasticidaddel broncedela celda ydel constantánde losdeformómetros.

3.- Resistordeconstantánpara elbalance inicial del puente.

4.- Resistordeconstantánpara ajustarlasalida, entérminosdemv/v.

5.- Resistorde cobre paraevitar elcorrimientodelcero por temperatura,ajustado paraunintervalode20a70ºC.

Capacidad Diámetros, mm Precisión SensibilidadCelda

Kg Kg/cm Ext Int

Longitud,

mm Intervalo total Kg Kg/cm 2 Kg Kg/cm 2

Punta 0-500 0-49.1 13.5 18.9 20 1/460 1.09 0.107 0.218 2.1 x10 -2

Fricción 5-300 0.03-2.04 9.2 18.6 21 1/210 1.42 9.7 x10-1 0.285 1.9x10-3

a

h

f

d

b

ge

c

a b

2

4

de salidaSeñal

a

b c

d

e

f g

h

5 3

1

c e g

Fig. 2.3 Calibración de las celdas sen ibless

Fig 2.2 Diagrama de instrumentación y características de las celdas del cono eléctrico

00

100

200

300

200 400 600 800 1000

Carga+ Descarga

u, Deformación unitaria

b) Celda de fricción

C a r g a ,

k g

0

100

200

300

500 1000 1500 2000

400

C a r g a ,

k g

u, Deformación unitariaa) Celda de punta

Carga y

0

Puente Hottinger 11 de oct. de 1979k=0.218 kg/u Puente Hottinger

11 de oct. de 1979k=0.285 kg/u

descarga



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6

2.2.3 Mecanismo de carga

El cono se hinca en el suelo mediante lapresión vertical de una columna de barrasde acero, usualmente de 3.6 cm de diámetroexterior, por cuyo interior pasa el cable que

lleva la señal a la superficie. La fuerzanecesaria para el hincado se genera con unsistema hidráulico con velocidad depenetración controlada. En la Fig. 2.4 sereproduce el mecanismo hidráulicodesarrollado en Holanda para el hincadodel cono; se puede también adaptar unaperforadora convencional para estamaniobra (Fig 2.5), con la simple adición deunas mordazas cónicas para la penetraciónyextraccióndelasbarras.

2.2.4 Ejecuciónde la prueba

La velocidad con la que se hinca el cono esusualmente igual a 2 cm/seg; sin embargo,la norma tentativa ASTM para operacióndel cono eléctrico propone de 1 a 2 cm/seg(ASTM, 3441-75T). Para las arcillas de laDCiudad de México se ha adoptado 1 cm/segporque así se controla mejor la prueba; no

obstante, es admisible operar con 2 cm/segsa b ie ndo q ue se o b t i e ne n va lo r e sligeramente más altos (Santoyo, 1982;Tamez et al, 1987). Es muy importante que,en la medida de lo posible, la velocidad depenetración se mantenga constantedurante la prueba, ya que es inevitable queel cono pierda velocidad de penetración alatravesar las capas duras y, una vez fueradeellas,seacelere.

2.2.5 Determinación de lasresistencias

Las celdas sensibles miden las fuerzasnecesarias para el hincado del cono; lainterpretación de los datos de las celdaspara la determinaciónde lasresistenciasdepunta y fricción se realiza con ayuda de lasexpresiones2.1a2.3.

Fig. 2.4 Mecanismo de carga Axial

Fig. 2.5 Perforadora convencional

Gato hidráulico

Ancla

Manómetro

Cerrojo

Registrador de dos canales

Cono

Per foradora

geotecnia S.A. de C. V.


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7

2.1

donde cQ Fuerza necesaria para hincar el cono, en kg

cA Área transversal del cono, 10 cm

2

cq Resistencia de punta, kg/cm2

2.2

donde sf Resistencia de fricción, en kg/cm²

sF Fuerza necesaria para hincar el cono y la funda, en kg.en conos que la miden directamente, )( cf s QRF -=

sA Área lateral de la funda, 150 cm2

2.3

R Resistencia necesaria para hincar el cono y la funda, enkg, en conos que miden ambas variables

2.2.6 Resultados típicosSondeo somero. Enla Fig 2.6 se muestranlos resultadosde una pruebarealizada hasta 7.0m de profundidad. Con la gráfica de la resistencia de punta, q , se define, de 0.0 a 1.0 m decprofundidad, la presencia de rellenos y suelo consolidado por secado, a los que subyacenarcillas blandas hasta 7.0 m de profundidad, con intercalaciones de lentesde arenasde 2.5a 5.2 m. Esta interpretación coincidió con la estratigrafía que se determinó en un sondeocercano mediante la extracción de muestras inalteradas y alteradas. En la Fig 2.7 secomparan los resultados de la prueba de penetración estándar, expresados con el númerode golpes N para el hincado del penetrómetro, con la variación de la resistencia a lapenetración de punta, q ; en esta última se observan detalles que no se advierten con lac

prueba de penetraciónestándar.

Sondeo profundo. La prueba de penetración estática de cono permite definir lasvariaciones de las resistencias de punta y de fricción con la profundidad. La Fig 2.8muestra la gráfica de la resistencia de punta obtenida con un sondeo profundo; no sepresenta la gráfica de la fricción porque en los suelos blandos su medición es incierta ( ed -Ruiter, 1981; Schmertmann,1977).

q =cQcAc

f =sFsAs

f =s

R - Qt c

Af

t



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8

Fig. 2.6 Gráfica de penetración estática

. Fig. 2.7 Comparación con lapenetración estándar

Fig. 2.8 Variación de la resistencia de

punta con la profundidad

0 5 10 15 20

5

10

15

20

25

30

Resistencia de la punta q ,kg/cmc

2

P

rofundidad,m

8

7

6

5

4

3

2

1

0 10 20 0 10 20 30 40 50 60

N

q

N= Número de golpes en prueba

de penetración estándar

q ,kg/cmc2

c

Profundidad,m

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20

0

1

2

3

4

5

6

7

10 20 30 40 50 60

q ,kg/cm

f ,kg/cm

c

2

2

qc

f s

s

Profundidad,m


23/232

9

2.2.7 Comentarios

El cono eléctrico es una herramienta de precisión que debe ser operada por personalcalificado, recibir mantenimiento frecuentey calibrarse después de cada diez sondeos a finde comprobar su confiabilidad. Para facilitar la operación del cono eléctrico, en el Capítulo11 se describen todos los detalles que deben seguirse. Los pequeños descuidos en laoperación delcono fácilmente provocanerroresy generan sondeos inexactos.

2.3 PRUEBADECONOMECÁNICO


Generalidades. El penetrómetro mecánico consta esencialmente de una tubería de acero,de 3.6 cm y 1.6 cm de diámetro exterior e interior respectivamente, en tramos de 1.0 m delongitud unidos con cuerdas cónicas, con barras sólidas concéntricas en su interior,también de 1.0 m de longitud de 1.5 cm de diámetro. Las barras interiores se apoyany

simplemente a tope para transmitir la fuerza vertical descendente, producida medianteunmecanismo hidráulico, con laque sehinca lapunta cónica.

Fig. 2.9 Puntas del cono mecánico

Punta de penetración. Lapunta del cono puede ser de dostipos: Delft, que solamentep e r m it e d e t e rm i n a r l ar e s i st e n c ia d e p u n t a yBegemann, que sirve paradeterminar las resistencias depunta y fricción (Sanglerat,

1972; Schmertmann, 1977;Begemann, 1957); ambos tiposse describen brevemente acontinuación.

a ) Punta Del f t . Como semuestra en la Fig 2.9 estapunta consta del cono (1) de 3.6cm de diámetro (10.0 cm de2

área), montado en el extremoi n f e r i o r d e u n a f u n d adeslizante (2) de 9.9 cm delongitud, cuya forma cónica lohace poco sensible a la friccióndel suelo confinante; el conopenetra gracias a la fuerzaaxial que le transmite elvástago (3) roscado al cono yprotegido por el cople protector

230 mm

99 mm

15

Ø 15

21

Ø 13mm

Ø 35.7 mm60°

a

Ø 36

51.5 mm

92 mm

47 mm5

30

45 mm

173.5 mm

Ø23

Ø 14

Ø 32.5 mm

Punta cónica

Funda cónica

Cople

Barra sólida

1

2

3

4

4

3

2

Punta Delft b Punta Begeman



24/232

10

b) Punta Begemann. Diseñada para medir las resistencias de punta y fricción (Fig 2.10).Consiste del cono (1) de 3.57 cm de diámetro (10.0 cm de área), montado en una pieza2

cilíndrica deslizante (2) de 11.1 cm de longitud y 3.25 cm de diámetro, cuya forma la hacepoco sensible a la fricción con el suelo confinante. La funda de fricción (3) de 13.3 cm delongitud y 3.6 cm de diámetro (150.4 cm de área), es también una pieza deslizante. El2

vástago (4) está roscado al cono y tiene una ampliación para jalar a la funda de fricción;finalmente, elcopleconector(5).

Fig. 2.10 Punta Begemann

2.3.2 Calibracióndelequipo

Antes de realizar la prueba de cono mecánico se debe verificar la operación correcta de los,dos manómetros del sistema hidráulico y calibrar el conjunto celda gatos en una prensa de-carga calibrada. Queda siempre la incertidumbre de la fricción que se puede desarrollarentre la tubería de acero y las barras centrales, por lo que, en suelos blandos, seacostumbra sumar a la presión medida, el valor de la presión que induce el peso de lasbarras, correcciónque, sinembargo, esmuypoco precisa.

1

2

3

4

5

A

Ø15

Ø12.5mm

25

33.5

146 mm

30 35

265 mm

Ø 36 mm

51.5mm

12

45

5 Barra sólida

4

3 Funda de fricción

2 Funda cilíndrica

1 Punta cónica

A Posición cerrada

B Posición extendida

385 mm

60°

Ø 32.5mm

Ø 23mm

Ø 20mm

Ø 30mm

B

Ø 35.7mm

69 mm

133 mm

47 mm

15

Ø36

187 mm

Cople


25/232

11

2.3.3 Mecanismodecarga

Paralaoperacióndelconoesindispensablecontarconunequipocomoelquesemuestraenla Fig. 2.4: se trata de un mecanismo hidráulico con capacidad de 10,000 kg, cuyoselementos principales son: 1) el sistema de carga axial de 1.0 m de carrera, igual que lalongitud de las barras, que genera la carga mediante una bomba hidráulica, 2) la pieza de

cerrojo, que puede aplicar carga selectivamente a la columna de barras centrales, a lasbarras huecas o simultáneamente a ambas, 3) los manómetros de alta y baja presión, quedeterminan la presión de la celda hidráulica hermética en la que se apoya el dispositivo decerrojo, 4) el sistema de anclaje, resuelto mediante cuatro barras helicoidales, que sehincanenelsueloarotación.

2.3.4 jecucióndela pruebaE

Punta Delft. con esteEl procedimiento convencionalde operación cono consiste enobtenerlecturas cada 20 cm, procediendo de la siguiente manera: se hinca el cono un máximo de 7

cm por medio de las barras centrales, observando y registrando en los manómetros lapresión desarrollada durante el hincado; la condición final delcono (extendido) se muestraen la ig 2.9. A continuación se hinca 20 cm la columna de barras exteriores: en losFprimeros 8 cm el cono debe recuperar la condición inicial (cerrada) y, en los 13 cmsiguientes, el cono, las barras centrales y exteriores penetran juntos, con lo que secompletaunciclodemedición.

Punta Begemann. Con el procedimiento convencional se mide la resistenciadel suelo cada20 cm, de la siguiente forma: se determina primero la fuerza de punta ( ) necesaria paraqchincar el cono con las barras centrales una longitud de 3.5 cm; después de ese movimientola ampliación del vástago debe hacer contacto con la funda de fricción, así, al continuar

empujando la barra central otros 3.5 cm, se hinca el cono y al mismo tiempo se arrastra lafunda;eldispositivo queda enla condición extendida que se muestra enla ig2.10. Con losFmanómetros se registra la presión debida a las fuerzas de punta y fricción ; a continuaciónse hincan las barras exteriores 20 cm, con lo que se cierra el mecanismo los 7 cm que seabrió y lapunta llega a lasiguiente posicióndonde se iniciaráotrociclo demedición.

2.3.5 Determinación de lasresistencias

Conocidas las presiones medidas con los manómetros y el área de la celda hidráulica, sepuede determinar la fuerza mecánica para hincar el cono o para el cono y fundasimultáneamente; a continuación se aplican las expresiones 2.1 y 2.3 para deducir lasresistenciasdepunta yfricción.

2.3.6 Resultados típicos

Los resultados que se obtienen son similares a los descritos para el cono eléctrico, aunquela falta de sensibilidad y precisión de los manómetros afecta las mediciones. En la Fig 2.11se muestran dos sondeos: uno con cono mecánico y otro con eléctrico; se advierte en elmecánico que muchos tramos aparecen verticales, como de igual resistencia, dando unafalsa impresión de estratificación, lo que no ocurre en el sondeo con cono eléctrico. En la



26/232

zona de menor resistencia el cono mecánicodetermina valores del orden del 50 % de losobtenidos con cono eléctrico; este error esdebido a que no se puede controlar el pesod e l a s b a r r a s c e n t r a l e s , q u epermanentemente gravitan sobre el cono,haciéndolo poco confiable cuando seexploransuelos blandos.

2.3.7 Comentarios

La principal ventaja del cono mecánicosobre el eléctrico es su simplicidad, quepermite fácilmente mantenerlo y repararlo;en cambio, el mantenimiento del cono

eléctrico requiere personal y equipoespecializado. Las desventajas del conomecánico son: a) se desconoce la magnitudde la fricción que se desarrolla entre lasbarras interiores y exteriores, que puedeser particularmente significativa en lossuelosblandos y b) la deformaciónelástica yel pandeo de lasbarras interiores dificultanelcontroldelapenetraciónensuelosduros.

12

Fig. 2.11 Gráfica resistencia de punta vs

profundidad con cono mecánico en suelos

blandos

La resistencia de punta de los suelos blandos se tiende a subvaluar cuando se utiliza elcono mecánico, como se muestra en la Fig 2.11; sin embargo, en general su operación esmás confiable que la del eléctrico, porque las fallas de trabajo son poco frecuentes; encambio,susensibilidadyprecisiónsonmenoresquelasdelconoeléctrico.

2.4 PRUEBADECONODINÁMICO


Cono perdible. Este es el más simple cono de exploración que se hinca a percusión, consistede una punta de acero con ángulos de ataque de 60° (Fig 2.12), cuyo diámetro B siempredebe ser mayor que eldiámetro b de las barrascon las que se hinca,parareducir la fricciónconelsuelocircundante;elpernoqueunealconoconlasbarrasdehincadoeslisoparaque,una vez que se ha penetrado hasta la profundidad de interés, fácilmente se desprenda. EsimportantedestacarquelaenergíadeimpactosetrasmitedelabarraalconoatravésdelasuperficiedeapoyoseñaladaenlaFig2.12yqueelpernosólosirveparaguiaralcono.

Estos conos se fabrican casi en cualquier diámetro y se hincan con energías diversas, como

5 10 15

5

10

15

20

25

E

M

P r o f u n d i d a d , m

Resistencia de punta q , kg/cmc

2

0

E Cono eléctrico

M Cono mecánico


27/232

13

lo demuestra la Tabla 2.1, en la que se resumen las características de los conos empleadosen Francia según Sanglerat (Sanglerat, 1974). Conviene señalar que en esa tabla no seprecisa la altura “a”, del tramo cilíndrico del cono, pero es costumbre, en ese país, hacerla

Superf iciedeapoyo

Barra

Cono

a) Conjunto b) Perno liso

b

a

B

Fig. 2.12 Cono perdible

similaroigualasudiámetroB(Sanglerat,1974).

Cono dinámico. Se acostumbra identificar con este nombre a los conos de tipo rescatable operdible que se fabrican industrialmente y que incluso llegan a ser verdaderas máquinasde energía controlada. En la Tabla 2.1 se resumen las dimensiones de los conos dinámicosempleados en Francia (Sanglerat, 1974); se advierte en esa tabla que sus dimensiones yenergía de hincado pueden ser muy similares a las de los conos perdibles hincados con unsimple malacate de fricción, lo que demuestra que los conos dinámicos son equivalentes alos perdibles y que sólo difieren en la eficiencia de hincado. En el inciso 2.4.3 se entra enmayordetalleenlosmecanismosdeoperación.

Recomendaciones prácticas. Es importante reconocer la necesidad de uniformar lasdimensiones de los conos hincados a percusión; se presenta en la Tabla 2.2 un criterio dedimensiones congruente con los diámetros de barras de hincado generalmentedisponible . El perno de unión puede ser liso o con cuerda izquierda (Fig 2.13), la cualspermiterescatarelconocuandosuextracciónesfácil;enextraccionesdifícileselgirodelas



28/232

14

Tabla 2.1 Características de los conos desarrollados en Francia (Sanglerat, 1974)

TIPO DE CONO B, cm A, cm2 b M H, cm E,2

/

cm

cmkg

1. B.I.G2. VERITAS3. ETF

4. SOCOTEC5. SOCOTEC

6. BERGBERG

7. SOBESOL8. DUREMEYER9. ANN

10. PILCON11. NORDMEYER

NORDMEYERNORDMEYER

12. BOTTE13. TECHNOSOL

14. SERMESSERMES

15. GEOTECHNIQUE

APLIQUEE

6.05.06.5

3.53.5

6.04.4

5.57.53.5

6.02.52

3.564.37

4.376.3

7.06.0

6.0

28.319.633.2

9.69.6

28.3

15.2

23.844.29.6

28.35.0

10.06.0215.0

15.031.2

38.528.5

28.3

3.23.44.5

2.61.8

3.2

3.2

4.23.151.8

4.22.2

2.23.2

3.24.1

4.04.0

3.6

25-7515150

852

60

60

60130.75

5.2

7510

1050-100

50 y10065

30-9030-90

25 y 50

25-7510050

80100

50

50

50-150100

100

6550

5050-76.2

5075

4040

40

22-19976226

6654

106197

126-37829654

172100

50167-508

167-333156

31-91124

35-71

B Y A Diámetro y área del conob Diámetro de la barra de hincadoM Masa de hincadoH Altura de caída de la masaE Energía de hincado

Tabla 2.2 Dimensiones de los conos y energías de hincado

Dimensiones del cono Barra de Hincado Energía de HincadoCono B, cm A, cm2 a, cm b, cm M, kg H, cm E, kg cm/cm2

Peso de las

barras, kg/ml

PortátilLigero

EW AWBW

2.002.504.506.007.00

3.144.91

15.9028.2738.48

0.30.30.40.50.6

1.271.90

3.49 (EW)4.44 (AW)5.40 (BW)

1020256464

5050757575

159.15141.47149.21244.46169.76

1.02.24.66.56.2


29/232

15

Fig. 2.13 Conos perdible y recuperable

a

Superficiede apoyo

Cuerda

izquierda

b

< p

p

B

2.4.2 Calibraciónde conos

Alcance . Los conos dinámicos no secalibran, dada su simplicidad; sin embargo,siempre se hace necesario establecer

correlaciones en el sitio en estudio entre elnúmero de golpes con el que se hinca y elque se obtiene empleando el penetrómetroestándar.

Energía de hincado. Este parámetrop e r m i t e e s t a b l e c e r u n a p r i m e r acomparación entre los resultados de uncono y los de la penetración estándar; laenergía de hincado por área se define con lasiguiente expresión:

2.4

donde E Energía de hincado por área unitaria

M Masa de hincado ( )kg

H Altura de caída de la masa ( )cm

B Diámetro del cono ( )cm

Para el penetrómetro estándar la energía de hincado tiene un valor de 237 kg-cm/cm²(M=64kg,h=75cm,b=5.08cm),quenocoincideexactamenteconalgunodelosvaloresconsignadosenlasTablas2.1y2.2;adicionalmenteenelpenetrómetroestándareláreade ataque essólo la perimetral, encambio en los conos es toda el área transversal, lo quedificultalacomparaciónteórica.

2.4.3 Mecanismos de carga

Funcionamiento básico. Para realizar las pruebas de cono dinámico perdible orecuperable, se requieren dispositivos que levanten la masa de impacto, la dejen caer lo

más libremente posible desde una altura constante y con una cadencia uniforme; elmecanismo más simple es el malacate de fricción opeado manualmente y los másdesarrollados son:Pilcon, Borros,Sermes y Fondasol.

Malacate de fricción. Es el mismo arreglo que se utiliza para ejecutar una prueba depenetración estándar, excepto que la masa y la altura de caída pueden variar de acuerdo alos valores de las Tablas 2.1 y 2.2. En la Fig 2.14 se muestra esquemáticamente ladisposición del malacate y un martinete de seguridad, que se utiliza como masagolpeadorayesmásrecomendablequeelmartinetesimple.

2

.

cm

cmkg

E = 4MH

B2



30/232

16

Sistema Pilcon. Este es un ingeniososistema desarrollado en Inglaterra que sevale de un mecanismo de leva para levantarla masa y dejarla caer automáticamente; laFig 2.15 presenta de manera esquemática

este dispositivo. La caída del martinete secontro la automát icamente con unmecanismo de biela, que acciona un cablecuya longitud se incrementa a medida quepenetraelcono(CatálogoPilconEng.).

Sistema Borros. También conocido con elnombre de Cono Dinámico Sueco, eldispositivo consta de un martinete de caídalibre que levanta automáticamente unabanda de cadena con un gancho y que, a laaltura prestablecida, lo suelta. La Fig 2.16muestra este equipo junto con lasdimensiones de martinetes y alturas decaída con las que puede operar; las barrasdehincadosonsiemprede1.0mdelongitud(Catálogo Borros AB). Por la sencillez yfacilidad de operación, la aplicación de esteequipo se extenderá ampliamente.

Cono Sermes. Desarrollado en Francia por

el Prof. J. Boudrillard, es un dispositivoneumático que opera a manera de unapequeña piloteadora y requiere uncompresor capaz de suministrar aire a 3.5kg/cm² de presión; con 40 cm de altura decaída y una frecuencia de 52 golpes porminuto, la masa golpeadora puede ser de30, 60 o 90 kg de peso para hincar el cono(Tabla 2.1), que puede ser perdible orecuperable; un contador del número degolpes facilita el control de la prueba. La

F i g 2 . 1 7 i l u s t r a e s t e a p a r a t oesquemáticamente (Catálogo Sermes).Otra característica interesante es quepuede inyectar lodo bentonítico por arribadel cono para reducir la fricción lateral yasí, una vez terminada la prueba, el pistónneumático se hace operar como golpeadordeextracción.

Fig. 2.14 Malacate de fricción

Fig. 2.15 Sistema de Pilcon

Cable manila 3/4" Ø

Cono (perdible o recuperable)

Barras de hincado

Máximo 3 vueltasdel cable

Malacate de fricciónPiezadegolpeo

Martinete de seguridad

Polea

Jalón manual

Martinete decaída libre

Trinquete

Guia delmartinete

Cable

Mecanismode biela


31/232

17

Fig. 2.16 Cono Borros

Fig. 2.17 Cono Sermes

b) Funcionamiento esquemático

Aire

Aire

Aire

Inicio del movimientoascendente del

cilindro y martinete

Cilindro y martinetelevantados (h= 40cm)

Caída del martinete

Perforaciónpara lodo

Penetrómetro1.8 kg

Marca@ 10 cm

Barra deperforación, 1m

90°

70 mm

(3.65 kg/m)

40 mm

10 cm

70 mm

Martillo

Sistema de soportede pesos adicionales(30, 60, 90 kg)

Manguera(aire a presión1.5-3.5 kg/cm2)

Cil ndro neumáticoí52 golpes/min

2000 cm3

a) Dispositivo

Barra deperforación

Cabezagolpeadora

Barra guía40 cm

H

NOTA: (*) Penetrómetro estándar

A) Norma SuecaB) Normas Alemanas (1y2)C) Norma PolacaD) Norma Americana

Cadena de levante

M stilá

Contador de golpes

Caja de protección

Perno deseguridad

Martinete

Golpeador

Barra 32mmØ x 1m

Rodillo guia

Motor

Descripción A B 1 B 2 C D

Peso delmartinete, kg 63.5 50 10 63.5 63.5

Altura decaída, cm

50 50 50 75 76

Diámetro dela barra, cm 3.2 3.2 2.2 4.2 4.2

Diámetro delcono, cm

4.5 4.37 3.56 5.05 (*)

Ángulo delvértice, º

90º (*)90º 90º 90º

3.2 cm

9.0 cm

90º4.5 cm

45º



32/232

18

Cono Fondasol. Este cono construído en Francia (Catálogo Fondasol) utiliza un ademeexterior para reducir la fricción, el impacto lo genera con un martillo Delmag ligero (Fig2.18).

2.4.4 Ejecuciónde la prueba

Descripción. Simplemente consiste enhincar el cono y contar el número de golpesrequerido por cada 10 cm de penetración enel suelo, cuidando que la altura de caída seac o nsta nte ; pa r a e v i ta r e r r o r e s serecomienda utilizarun contadormecánico.

El error más significativo que se presentaen esta prueba es la fricción que sedesarrolla entre la tubería y el suelo, ya quereduce la energía del impacto; paraminimizarlo se recurre a alguna de lassiguientes alternativas: a) untar grasa a latubería a medida que va penetrando, b)inyectar lodo bentonítico para formar unflujo laminar alrededor de la tubería (Fig.2.19)yc)utilizarunadememetálico. Fig. 2.18 Penetrómetro Fonsasol

Fig. 2.19 Cono perdible con inyección de lodo bentonítico

Instrumentación electrónica. Actualmente se investiga la instalación de medidores defuerza y aceleración en el cono (Sociedad Japonesa de Mecánica de Suelos, 1981); estatecnología, una vez desarrollada, seguramente incrementará la confiabilidad de lainformaciónqueproporcionalapruebadecono.

MartilloDelmag D2

Gatos hidráulicospara la extracción

Número de golpespor 10 cm

Resistencia ala penetración

0

2

4

6

8

10

Profund

idad,m

N


33/232


34/232

20

Fig. 2.20 Cono dinámico vs penetración estándar en aluvión, tobas, capa dura, etc

Fig. 2.21 Cono dinámico en suelos y calcarenitas con lentes de arena ( )Santoyo et al. 1988

Número de golpes para 30 cm de penetración


35/232

21

Una aplicación incipiente del cono dinámico en el control de compactación de arenas, semuestraenlaFig.2.22(Castellanos,1988).

Fig. 2.22 Compacidad de un relleno de arena

Cono Sermes. La repetibilidad de sondeos vecinos realizados con esta técnica se muestraen la Fig. 2.23, y su sensibilidad para distinguir suelos de distinta resistencia ycompacidad, en la Fig. 2.24. En cuanto a la influencia de la inyección de lodo para reducirla fricción lateral, en la Fig 2.25 se presentan dos sondeos uno sin lodo y otro vecino con;inyección de lodo; la comparación entre ambos demuestraquea profundidades menores de15 m la diferencia es muy pequeña y se confunde con la erraticidad del suelo. En cambio aprofundidadesmayoreslainfluenciadellodoesnot ria.o

El sondeo terminó a5.5 m. de profundidad

Penetración estándar número de golpes

N



36/232

22

Fig. 2.23 Repetibilidad de sondeos dinámicosCat de la empresa: Societé Sermes, Francia( )

Fig. 2.24 Sensibilidad de sondeos dinámicosCat de la empresa: Societé Sermes, Francia( )

Resistencia dinámica aparente, kg/cm2


37/232

23

Fig. 2.25 Conparación de sondeos Sermes con y sin lodoCat de la empresa: Societé Sermes, Francia( )

2.4.5 Comentarios

La técnica de exploración con el cono dinámico sigue siendo una excelente herramienta dela mecánica de suelos y un campo fértil para la innovación e inventiva de los especialistas.Un aspecto que conviene investigar experimentalmente es la eficiencia de la forma de losconos; actualmente existen dos tendencias: emplear conos con ángulo de ataque de 60° obien de 90°. Estos últimos han sido empleados sobre todo en Europa, donde se hanpropuestocomo unanormainternacional (Fig.2.26).

Ensayo sin lodo Ensayo con lodo

C

Terraplén, relleno hidráulico



38/232

Seguramente a corto plazo la tecnología evolucionará hacia eluso de la ecuaciónde la ondapara la interpretación de la prueba de cono dinámico y mejorará cuando se incorporensensores eléctricos para determinar las fuerzas que trasmite la punta al suelo así como lasaceleraciones quese generen.

Fig. 2.26 Puntas y barras para pruebas dinámicas (Estándar internacional)

2.5 PRUEBADECONOESTÁTICO-DINÁMICO


Las limitaciones de operación que tiene el cono estático en materiales granulares y la faltade sensibilidad del cono dinámico en suelos blandos, han dado lugar al desarrollo de unatécnica mixta, que consiste en un cono que puede operar indistintamente como estático ocomodinámico,enfuncióndelanaturalezadelsueloqueatraviese.

El equipo más evolucionado es el Cono Andina, aparato que se podría describir como uncono de tipo mecánico con un ademe exterior que le permite las siguientes variantes deoperación: a) hincado del cono a presión o percusión; b) hincado de la funda de fricción apresión y c)hincado del conjuntode3 tuberíasa presión o percusión.

El Cono Andina se muestra dibujado esquemáticamente en la Fig. 2.27 y se describe condetalle en (Sanglerat, 1974; Pfister, 1974 y Sanglerat, 1977a) conjuntamente con elprocedimientodeejecucióndelaprueba.

24

de 40 a 45 mm

Barra hueca pesomáximo 8 kg/m

90°

62 2 mm

90°

Punta fija o perdible

62 0.2 mm

5 mm

Punta fija o perdible

5 mm

52 2 mm

32 0.3 mm

Barra sólidao hueca

90°


39/232

Aplicación de la carga

Medición de la resistencia

Gatos hidráulicos

del cono o total

Barra central

Ademe exterior

Funda de fricción

Punta de 80 mm

Punta de 39 mm

Medición de la cargaen la funda de fricción

Medición de lafricción total

Celdas de carga

Ø 80 mm

Ø 39

Fig. 2.27 Penetrómetro Andina (Cono estático-dinámico)

2.5.2 Determinación de la resistencia

Para analizar la información que proporciona este aparato se aplica el criterio

correspondiente, estático o dinámico, dependiendo de cómo se opere; las expresiones decálculosonlasmismasquesediscutieronenpárrafosanteriores.

2.5.3 Resultados típicos

En las Figs. 2.28 y 2.29 se presentan dos sondeos realizados con el cono Andina tomados de(Sanglerat, 1977b); la sola observación de las figuras demuestra la utilidad de esta técnicaen terrenos superficialmente cubiertos con suelos blandos, que sobreyacen suelos

25



40/232

arenosos.

2.5.4 Comentarios

Esta técnica estática-dinámicadesarrolladaenFrancia no se ha aplicado extensamente enotros países, debido seguramente a que la complejidad de los equipos ha sido su limitantefundamental; sin embargo, es probable que a largo plazo pueda ganar un lugar y mostrar

26

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

250 0.1 0.2 1.0 80.050.010.05.0

10 20 100 1000

0 1 2 3 4 5 6 1116 21

8000

Resistencia lateral, en kg/cm

q y R , en kg/cm

Relación de fricciónR , en %

Resistencia de

punta estática, q

Resistencia lateral

unitaria, f

Resistencia dinámica, R

q

R

R =f f s

Rp

P r o f u

n d i d a d , m

c d2

f

c s

d

c

d

Rd

qc

2

Fig. 2.28 Ejemplo de un sondeo con penetrómetro estático-dinámico


41/232

c d2q ó R , en kg/cm

27

NAF

dc

50 100 150 200 250 300

5

10

15

20

25

0


qR Sermes con lodo

Limo

Boleos

y

Gravas

Arenas

Gravas

y

Boleos

Limo

Arenas muy finas

Arenas limosas

Arenas finas arcillosas

Gravas

Boleos

Arenas

Arena fina

Fig. 2.29 Comparación de los penetrómetros estático-dinámico ( )Sanglerat, 1997

30



42/232

28


43/232

3 CORRELACIONES EMPÍRICAS

29

3.1 INTRODUCCIÓN

Las pruebas de penetración de conos estáticos o dinámicos sólo permiten definir lasresistencias de punta y fricción o la resistencia dinámica, dependiendo del tipo de conoempleado; a su vez, la interpretación de esta información, basada en correlacionesempíricas y semi-empíricas conlleva a la identificación indirecta del tipo de suelo y a unaestimación de sus propiedades mecánicas. La condicionante fundamental para laaplicación confiable de correlaciones empíricas, es que correspondan a suelos muy

similares y preferiblemente que se obtengan para los suelos particulares a los que sepretenden aplicar.

A continuación se presenta un resumen del conocimiento actual sobre estas correlaciones;particularmente sobre la clasificación de los suelos y los parámetros de resistencia ycompresibilidad.

3.2. CORRELACIONES CON EL CONO ESTÁTICO

3.2.1 Clasificación indirecta de los suelos

Varios autores han elaborado gráficas que correlacionan empíricamente los resultados dela prueba de penetración estática con la clasificación de suelos; entre ellas, las debidas aSanglerat (Sanglerat, 1972) y a Schmertmann (Schmertmann, 1977), presentadas en lasFig 3.1 y 3.2, son las de uso más extendido. La Fig 3.3 muestra, ampliada de la gráfica deSanglerat, la zona que corresponde a los suelos granulares sueltos y cohesivos blandos, y laFig 3.4 presenta, de ambos autores, las gráficas que correlacionan la resistencia de punta

Fig. 3.1 Clasificación de suelos con penetrómetro estático electrónico (Sanglerat, 1972)


2Fricción local, kg/cm0 1 2 3 4 5 6

0

100

200

300

Turba

Arcilla

Limo, arcilla

Arena

Arena gruesa

y grava


44/232

30

Fig. 3.2 Clasificación de suelos con penetrómetro estático (Schmertmann, 1977)

Relación de fricción f /q , %

200

100

50

10

5

20 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Arena

(Compacta

o cementada)

A r e n a s c o n

c o n c h a s

(Suelta)

Mezlas

limo-arena,

arenas

arcillosas

y limos

Arcillas arenosas

y limosas Arcillas inorgánicas

no sensitivas

Muy duras

Duras

Medías

Blandas

Muy blandas

Arcillas orgánicas y

mezclas de suelos

Fig. 3.3 Clasificación de suelos blandos o sueltos (Sanglerat, 1972)

10

0

20

30

40

50

0 0.5 1.0 1.5 2.0

Fricción local, kg/cm

Arena gruesa y grava

ArenaLimo, arcilla

Arcilla

Turba

R e s i s t e n c i a d e p u n t a k g / c m

2

2

S C

2

c


45/232

31

Fig. 3.4 Correlación entre la resistencia de punta y la densidad relativa de arenas finas

De análisis de SANGLERAT

SCHMERTMANN 90%de los datos caenentre estas líneas

M u y

d e n s a

D e n s a

M e d i a

S u e l t a

M u y

s u e l t a 0

20

40

60

80

100

0 1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90100 150 200 250

Resistencia de punta, en kg/cm o ton/pie

D e n s i d a d r e l a t i v a c o n m u

e s t r a s i n a l t e r a d a s %

Un criterio ampliamente utilizado paraclasificar los suelos, de manera indirecta, esa partir de los valores del contenido de aguay su variación con la profundidad; de igualmanera es posible emplear la informaciónobtenida en un sondeo de cono, porque laresistencia de punta varía recíprocamentecon respecto del contenido de agua, comopuede verse en la Fig. 3.5.

3.2.2 Resistencia de suelos cohesivos

La resistencia al corte de los sueloscohesivos, en condiciones no drenadas,puede deducirse de una prueba de conoaplicando la siguiente expresión debida aTerzaghi (Lunne et al, 1977; Bell, 1978).

Fig. 3.5 Correlación del contenido de agua wcon la resistencia de punta q obtenida conc

cono eléctrico (Zona de Lago)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

5 10 15 20 100 200 300 400

3.1

donde

cq Resistencia de punta del conok N Coeficiente de resistencia del cono

f Resistencia al corte no drenada

Peso unitario del suelo (total)z Profundidad de la prueba

entonces

3.2

22

Resistencia de punta, q (kg/cm ) Contenido de agua (%)c2


q = N + zc k f

=fNk

q - zc



46/232

32

La Tabla 3.1 presenta valores típicos del coeficiente recopilados de la literatura técnica.

Begemann (Begemann, 1953; Begemann, 1963) fue el primero en plantear que de laexpresión 3.1, debe eliminarse el término g por ser poco significativo, quedando entonces:z

Para esta expresión también se han presentado valores típicos de N ; una recopilación dekellos se incluye en la Tabla 3.2.

Tipo de suelo

k N Forma del Penetrómetro Autor y referencia

Todo tipo 5–70 ? Amar, S. et al, 1975 Arcillas marinas blandas

13 – 24 Cilíndrica Lunne, T. et al, 1977

Arcillas preconsolidadas 17 Cilíndrica Lunne, K.T. et al 1978

2Tabla 3.3 Tipos de equipos y técnicas en conos de 10 cm y 60° (Schmertmann, 1975)

Sistema Punta Mediciones Con Protección contra la

Mecánico

Delft qc cada 20 cm

Gato hidráulico queDiámetro reducido

Begemann qc y f s cada Celdas de cargaMediciones en la

Eléctrico

Fugro qc ó qc y f s

Delft qc

y f s

Igual que el anterior

Tipo de suelok N Forma del Penetrómetro Autor y referencia

Arcilla normalmente15-18 Clásica Mac Carthy D.E., 1977

Arcilla suave con falla local 10-14 Clásica Mac Carthy D.E., 1977 Arcilla preconsolidada (qc< 25) 22-26 Clásica Mac Carthy D.E., 1977Suelo arcilloso bajo el nivel 14

Clásica Begemann H.K.S., 1973

Suelo arcilloso blando 20 Cilíndrica Montañés, L. et al, 1980

Tabla 3.2 Valores típicos del coeficiente k N (Ec- 3.3)

Tabla 3.1 Valores típicos del coeficiente k N (Ec-3.2)

=fqc

Nk


47/232

33

Para utilizar los valores del coeficiente N consignados en la literatura técnica, esknecesario distinguir si fueron definidos para penetrómetros con punta de forma clásica conestrechamiento posterior al cono o de forma cilíndrica recta (Begemann, 1957). Entre losprimeros se clasifican los conos mecánicos tipo Delft y Begemann y el eléctrico Delft; de lossegundos, el eléctrico tipo Fugro es el más conocido (Tabla 3.3). La selección del coeficientedebe ser cuidadosa, pues la diferencia de geometrías entre ambos tipos de conos puede sersignificativa. Algunos autores (Begemann, 1957; Jiménez, 1976) consideran que, para elpenetrómetro eléctrico de forma cilíndrica, la resistencia al corte no drenada de sueloscohesivos puede obtenerse aplicando un coeficiente único de 10.

3.2.3 Resistencia al corte de suelos no cohesivos

La experiencia y confianza acumuladas en la utilización del cono ha sido en suelos nocohesivos. Para la interpretación de la información obtenida se han elaborado teorías ymétodos que permiten deducir el valor del parámetro ´ de resistencia al corte de estossuelos, considerando que la velocidad de hincado del cono es suficientemente lenta para

que se disipe significativamente la presión de poro y que por tanto se trate de una pruebaen condiciones drenadas. Las teorías que se utilizan con mayor frecuencia son:

a ) La de de-Beer (Sanglerat, 1972; de-Beer, 1948), tiende a predecir losvalores más bajos del ángulo, por lo cual ha caído en desuso.

b) La teoría desarrollada por Mitchell-Durgunoglu (Mitchell et al, 1973;Durguno et al, 1975a; Durgunoglu et al 1975b; Mitchell et al, 1978), que considera lainfluencia de la rugosidad del cono, sobre presión y valor de k ; los valores de f´ queopredice son semejantes a los obtenidos en pruebas triaxiales drenadas.

c) Los métodos empíricos de Meyerhof (Meyerhof, 1974) y de Schmertmann(Schmertmmm, 1970), que también predicen valores semejantes a los definidos enpruebas triaxiales drenadas.

d) La de Holden (Holden, 1976), que hace intervenir el fracturamiento de partículas dearena.

Con el procedimiento de cálculo del ángulo ø´ presentado en la Fig. 3.6 (Harr, 1977), basadoen fórmulas de capacidad de carga, se ha interpretado la información de pruebas de

penetración incluídas en varios de los artículos citados arriba; los valores de ø obtenidosmuestran diferencias máximas de únicamente 3°.

Una limitación significativa para la interpretación de la información de las pruebas depenetración estática en arenas, es que no es fácil conocer confiablemente sus pesosvolumétricos, pues para ello se requiere obtener muestras inalteradas; la soluciónalternativa al respecto es suponer estos pesos volumétricos y aplicar la expresiónsimplificada de la Fig. 3.6.



48/232

34

3.2.4 Resistencia de suelos cohesivo-friccionantes

Los suelos que durante el hincado del conodesarrollan componentes de resistencia

tanto de fricción como de cohesión son el casom á s d i f í c i l d e i n t e r p r e t a r . L o sprocedimientos propuestos se basan enplantear dos expresiones de la capacidad decarga última para dos profundidades en lasque se presente el mismo suelo y, después,obtener por tanteos los valores de losparámetros c y Æ. En esta solución eldesconocimiento de los pesos volumétricostambién induce a errores como en los suelos

no cohesivos. Los procedimientos másusados se deben a de- Beer (Sanglerat, 1972)y Mitchell-Durgunoglu (Mitchell et al,1973); el primero conduce a resultados muyconservadores y el segundo está orientado aresolver el problema a profundidadessomeras.

Fig. 3.6 Correlación de la resistencia depunta y el ángulo Ø' de arenas

Aplicando el criterio antes descrito a la expresión de capacidad de carga obtenida porTerzaghi, corregida con los factores de forma, se puede deducir un sencillo procedimientode interpretación:

a) Capacidad de carga última

3.3

donde

Tabla 3.4 Correlaciones con la Penetración Estándar

Tipo de suelo N qc

/

Limos, limos arenosos, mezclas limo-arena ligeramente cohesivas 2.0 Arenas limpias finas a medias, y arenas ligeramente limosas 3.5 Arenas gruesas y arenas con algo de grava 5.0Gravas arenosas y gravas 6.0

Una correlación que puede ser de utilidad, obtenida por Schmertmann (Schmertmann,J.H., 1970), entre la resistencia de punta, q , y el número de golpes, N, en la prueba decpenetración estándar se resume en la Tabla 3.4.

Compacidad

Suelta Media DensaMuy

densa M u y s u e l t a

20 25 30 35 40 45Ø'

10

50

100

200

300400

q

o=(1+tanØ') tan (45+ Ø`2 )e

c

qc `tan Ø`

o

q = cN + DN + N c c c q q B2

= (N -1) cotc q =1+cB

L

NQ

Nc

=1+ tanqB

LN

tan = N eq


49/232

35

b) Las pruebas de penetración a dos profundidades, Z 1 y Z 2 , definen resistencias

de punta, qc1 y qc2, para:

c) Resolviendo las ecuaciones anteriores como simultáneas y considerando quepara el cono B = L, se obtienen las expresiones 3.4 y 3.5.

3.4

3.5

Para calcular Nq en esta expresión se supone el peso volumétrico , y un valor tentativodel ángulo ; una vez determinado Nq, se introduce en la gráfica de la Fig. 3.7 paraobtener el valor de . Este ángulo calculado, si difiere del supuesto inicialmente, seutiliza para obtener otro valor de Nq y de nuevo, con la gráfica, se define el valor de ;

después se aplica la expresión siguiente:

3.6

Fig. 3.7 Factores de capacidad de carga

500

100

50

10

5

1

Nc

0° 10° 20° 30° 40° 50°Ø

NqNy

Nc

NqNy

= 1-0.4 BL

D = Z q = cN + N + N 1 c c c 1 q q Z B2

N = 2(N +1) tanq

N2

= tan 45+

2

D = Z q = cN + N + N 2 c c c 2 q q Z B2

(1+tan)(z -2 z )1N =q

q - qc2 c1

tan = -1q - qc2 c1

(z -2 z )N1 q

c=(q + q ) - N (1+tan)( z + z )1 2c1 c2 q

2N ( +N / N )c q c



50/232

36

3.2.5 Compresibilidad de suelos blandos

Condición inicial. La interpretación de un sondeo de cono eléctrico permite estimar sucondición inicial de consolidación; en la Fig. 3.8a se muestran suelos normalmenteconsolidados, idealmente uniformes, depositados bajo agua y sin que hayan desarrollado

costra superficial endurecida. En ese caso la resistencia resulta aproximadamente unafunción lineal del esfuerzo efectivo, como se obtiene de las siguientes expresiones:

3.7

3.8

donde

f Resistencia no drenada del suelo ton/m²

vo Esfuerzo vertical efectivo

IP f Factor de correlación con la plasticidad (Fig 3.9)

k N Coeficiente de resistencia del cono

3.9

Así para un valor medio de 0.33 del factor de correlación por plasticidad y de 13 para elcoeficiente de resistencia se obtiene que

3.10

La Fig. 3.8a está deducida con la expresión 3.10 para distintos pesos volumétricos;aplicando ahora este razonamiento al caso de un suelo ideal sujeto a la influencia de unasobrecarga de área infinita, se podría transformar la sobrecarga a una altura de sueloequivalente; en ese caso la envolvente de resistencia simplemente se desplazaríaparalelamente, como se ilustra en la Fig. 3.8b. Por este efecto la preconsolidación seidentifica cuando la envolvente de resistencia muestra una ordenada al origen.

donde

´ 3Peso sumergido del suelo ton/m

h Profundidad en m

cq

2

Resistencia probable del cono en ton m/

q = Nc f k

/ = f (IP)f vo

q = N f (IP)c vo k

q = 0.43 hc


51/232

F i g .

3 . 8

C o n d i c i ó n

i n i

c i a l d e c o n s o l i d a c i ó n

d e u n

s u e

l o .

37

a ) S u e l o s n o r m a l m e n t e

c o n s o l i d a d o s

b ) S u e l o s n o r m a l m e n t

e

c o n s o l i d a d o y p r e c

o n s o l i d a d o s

c ) S u e

l o l i g e r a m e n t e

p r e

c o n s o l i d a d o

d ) S u e l o

l i g e r a m e n t e

p r e c

o n s o l i d a d o

3 0

2 5

2 0

1 5

1 0 5 0

3 0

2 5

2 0

1 5

1 0 5 0

3 0

2 5

2 0

1 5

1 0 5 0

3 0

2 5

2 0

1 5

1 0 5 0

0

5

1 0

1 5

0

5

1

0

1 5

0

5

1 0

1 5

0

5

1 0

1 5

O C

( l i g e r a m e n t e

p r e c o n s o l i d a d a )

E s p e s o r

p r e c o n s o l i d a d o

N F

S o b r e c a r g o s d e

P r e

c o n s o l i d a c i ó n

Q =

0 t o n / m

Q =

1 t o n / m

Q =

2 t o n / m

Q =

3 t o n / m

Q =

4 t o n / m

N C

N F

N F

N F

S o b r e c a r g o s

e q u i v a l e n t e s

c o n a l t u r a s

d e s u e l o

(

= 0 . 5 t o n / m

)

N F

’

= 0 . 3 t o n

/ m

’

= 0 . 4 t o n

/ m

’

= 0 . 5 t o n

/ m

’

= 0 . 6 t o n

/ m

2 m

2 m

2 m

2 m

c = 0 ;

q

= 0

2

c

= 0 . 1 k g / c m

m i n

2

q

= 1 k g / c m

m i n

m i n

P r o f u n d i d a d , e n m

F

D

q , k g / c m

²

= P e s o s u m e r g i d o N

C

O

C

N C

O C

1

c

c

’

3 3 3 3

2 2 2 2 2

3



52/232

38

Fig. 3.9 Correlación entre y el índice de plasticidad paraarcillas normalmente consolidadas (Holtz et al, 1981)

/ vo

Osterman, 1960Leonards, 1962

Bjerrum, 1972 (2)

Bjerrum, 1972 (1)

Kenney, 1976

Bjerrum, 1954Osterman, 1960Leonards, 1962

33

0.8

0.6

0.4

0.2

0100 200 300 4000

Índice de plasticidad, PI(1) Arcilla de sedimentos recientes

(2) Arcillas ligeramente preconsolidadas

vo

Aplicando los conceptos a un caso real (Fig 3.8c), se puede concluir que un suelo espreconsolidado cuando la envolvente de resistencia tiene una cierta ordenada al origen; encuanto a la magnitud y origen de la carga de preconsolidación, se pueden hacer lassiguientes hipótesis: a) Que la preconsolidación se indujo por efecto de un fenómeno de erosión del suelo

superficial; en ese caso, el espesor erosionado máximo fue de una altura D (Fig3.8c), considerando que el suelo tuvo inicialmente una cohesión nula. Sinembargo, admitiendo que todas las arcillas tienen una cohesión mínima, elespesor más probable del suelo erosionado fue F.

b) Si la preconsolidación se indujo por cargas superficiales uniformes, incluyendo elabatimiento del nivel freático, y si es muy largo el tiempo transcurrido, seobtiene un perfil lineal como el mostrado en la Fig 3.8c.

c) Si el área sobrecargada es pequeña, o el proceso de consolidación todavía no secompleta, el perfil resulta como el de la Fig 3.8d.

Relación de preconsolidación. La estimación del valor de la relación de preconsolidación(OCR, por las siglas en inglés de Over Consolidation Ratio) se puede hacer con la ayuda dela expresión empírica de Ladd et al (Ladd et al, 1977).

3.11

donde

OC Suelo preconsolidadoNC Suelo normalmente consolidadoOCR Relación de preconsolidación

0.8=(OCR)(

/ )f vo OC( / )f vo NC


53/232

39

Esta expresión se muestra graficada en la Fig 3.10, junto con la correlación entre larelación de preconsolidacón y la resistencia normalizada. Para la aplicación de esa gráficala expresión anterior se puede simplificar a:

3.12

Estimación de asentamientos. Se han desarrollado dos procedimientos semi-empíricospara la estimación de asentamientos por consolidación:

a) Schmertmann propone aplicar la expresión:

3.13

donde

H Asentamiento estimado

n Número de estratos compresiblescc Índice de compresión

oe Relación de vacíos inicial

o p Esfuerzo inicial

p Incremento de esfuerzos

o H Espesor inicial del estrato

Fig. 3.10 Correlaciones entre la resistencia no drenada en pruebas decorte directo, con la relación de preconsolidación (Holtz et al, 1981)

Arcilla barbadade Connecticut

6

Arcilla azul de Boston5

Arcilla AGH-CH4

Arcilla de Atchafalaya3 Arcilla de Bangkok

2

Arcilla orgánicade Maine

1

Nota:T

1 65 34 1.0

N° LL IP LI

2 65 41 0.65

3 95 75 0.854 71 41 -

5 21 0.8

6 65 12 -3539

Capas de arcillay limo

*

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2 4 6 8 10

vo'

*

vo'

'OCR=

1 2 4 6 8 101

2

3

4

5

6

T ' vo( )ocT ' vo( )nc

51 aSuelo

6Suelo

T

vo''

OCR=

0.8=(OCR)

qc

0.33 N k vo

H= H logo 1+eo

ccn

1 Po

p +po



54/232


55/232

41

3.2.6 Densidad relativa de arenas

La resistencia de punta del cono es un indicador de la densidad relativa de las arenas; laprecisión de esta correlación está condicionada por varias propiedades del suelo enestudio: distribución granulométrica, cementación de partículas, esfuerzos laterales yverticales. La Fig 3.11 (Bladi, et al, 1981) muestra una recopilación de las investigacionesexperimentales sobre este tema.

Fig. 3.11 Correlacíon de la resistencia de punta con elesfuerzo vertical efectivo en arena (Schmertmann, 1877)

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300

cResistencia de punta, q (kg/cm²)

E s f u e r z o v e r t i c a l e f e c t i v o ,

( t o n / m ²

)

v

Arenas saturadas normalmenteconsolidadas (Schmertmann, 1977)

DR Densidad relativaCF Condición de frontera

(CF-1) = y constantes(CF-3) = constante y Eh = O

v- h

-

v-

COMPACIDAD

Media

Densa

Muy densa

INICIAL

42.4

69.9

91.0

DR % FINAL

46.9

72.4

92.6

DR % CONDICIONESDE FRONTERA

CF- 1CF- 3

CF- 1CF- 3

CF- 1CF- 3

4 0 %

6 0 %

8 0 %

D R = 1 0 0 %



56/232

42

3.3 CORRELACIONES CON EL CONO DINÁMICO

Enfoque experimental. La información publicada sobre correlaciones con el cono dinámicoes muy escasa, por lo que se hace necesario acumular experiencia local de cada sitio. Comose mencionó en el Capítulo 2, interesa establecer una correlación confiable con lapenetración estándar, mediante la ejecución de sondeos con ambas técnicas; convieneadvertir que la calidad de estos sondeos de correlación debe ser excelente para tenerlesconfianza.

Para ilustrar esta limitación la Fig 3.12 muestra un buen ejemplo de un trabajo deexploración con el empleo de estas dos técnicas: a) un sondeo convencional de penetraciónestándar, con un bajo nivel de supervisión técnica de campo y laboratorio y b) un sondeo decono dinámico que se complementó después con otro sondeo de penetración estándar;ambos realizados bajo una cuidadosa supervisión técnica.

Fig. 3.12 Exploración de un sitio en Acapulco

Abanico aluvial

Suelo rojo

Abanico aluvial

Suelo arcilloso tropical

Abanico aluvial

Suelo rojo

Playa de laguna

con turbasnegras sapropelicasLaguna con arcillas

Arena de playaPlaya orilla lagunaSuelo con gravas

Clasificación geológica

Con supervisión técnica

Penetración estándar Cono dinámicoPenetración estándar

Convencional

100 200 300 100 200 300 100 200 300

P

r o f u n d i d a d e n , m

35100/5

30

25

20

15

10

5

0

100/5100/5220/20165/20

50/1150/11

50/10

50/10

50/10

60/10

70/12

Notas : -El sondeo 1 está a una distancia no mayor de 30 m del 2 y 3, que están separados 1 m-Los números fraccionarios (N° de golpes/penetración en cm) se extrapolaron para definir la resistencia equivalente a 30 cm de penetración-El cono dinámico solo penetró hasta 25 m de profundidad

1 2 3

Queda evidente que en el segundo caso la calidad de la información resultante y el grado dedetalle permiten una mejor interpretación de las características del subsuelo y por lo tantouna mejor correlación.

Enfoque teórico. Algunos autores basan la interpretación de las pruebas dinámicas en elanálisis de la ecuación de la onda: con el modelo adecuado de las barras y del sistema dehincado, la energía aplicada define, indirectamente, la resistencia del suelo; Ellstein, havenido desarrollando esta metodología para la exploración de la llamada capa dura delsubsuelo de la Ciudad de México (Ellstein, 1988).


57/232


58/232

44


59/232

4 CORRELACIONES CONPROPIEDADES MECÁNICAS4.1 INTRODUCCIÓN

Uno de los principales problemas en el estudio de la respuesta sísmica de depósitos desuelo y de la interacción dinámica suelo-estructura es la determinación de los parámetrosque caracterizan el suelo desde el punto de vista dinámico.

En este capítulo se describen los resultados de mediciones de campo realizadas por elInstituto de Ingeniería de la UNAM, para determinar las propiedades dinámicas de lossuelos blandos del Valle de México, así como su correlación con sondeos de cono eléctrico.

4.2 PROPIEDADES DINÁMICAS DE LOS SUELOS

Los parámetros dinámicos de los suelos que más interesan son:

Rigidez. Esta propiedad del suelo se cuantifica mediante el llamado módulo de Young, E,determinado en condiciones no drenadas o el módulo de rigidez al corte, G, cuya relación esbien conocida:

4.1

45

en donde u es la relación de Poisson que, en un medio poroso saturado no drenado, conupropiedades elásticolineales, adquiere un valor igual o muy cercano a 0.50.

La rigidez es función de la magnitud de las deformaciones aplicadas al suelo: así, paradeformaciones muy pequeñas se obtienen valores altos del módulo de rigidez, y valoresmenores al aumentar las deformaciones.

Capacidad del suelo para disipar energía. Los suelos disipan energía debido a suviscosidad, sus características elasto-plásticas, la forma en la que se transmiten las ondas

y el fenómeno de irradiación; en el estudio del comportamiento dinámico de los suelos sólose considera la disipación de energía por efectos viscosos y, en ocasiones, la debida a lascaracterísticas elasto-plásticas. La disipación por irradiación suele tomarse en cuentacomo un efecto viscoso adicional.

La forma de especificar el parámetro de disipación de energía depende del modelo que seemplee para idealizar al suelo en el análisis. En modelos lineales o lineales equivalentes, elparámetro que cuantifica la energía que el suelo disipa por efecto de la aplicación de cargascíclicas, es el factor de amortiguamiento crítico. En modelos basados en la teoría de la

Eu

2(1 + )u

G=



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plasticidad o en modelos no lineales, se considera que el suelo disipa energía debido a laacumulación de trabajo plástico. En algunos modelos viscoelásticos se incluye también elcoeficiente de viscosidad.

Resistencia dinámica del suelo. Este parámetro aumenta con la velocidad de deformacióny con la velocidad con la que se aplican los esfuerzos cortantes. Estos efectos se observan entodos los s

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