LOS ENSAYOS IN SITU

1. ENCUADRE DE LOS ENSAYOS IN SITU:El correcto proyecto de una estructura obliga a conocer las

condiciones del subsuelo de cimentación. Desde este punto de vista las estructuras se dividen en 3 grupos:

1. Estructuras en las que el problema principal es la interacción suelo-estructura: cimentaciones, muros de contención, túneles. El punto clave en estas estructuras es el comportamiento de la interfase de contacto suelo-estructura, en lo relativo a la relación carga-deformación.

2. Estructuras en las que el suelo se utiliza como material de construcción, tales como terraplenes de autopistas, presas de materiales sueltos, plataformas, de calzada. Además de la interacción suelo-estructura, es preciso conocer las propiedades del suelo que integra la estructura, para evaluar su comportamiento.

3. Estructuras formadas por materiales in situ, sin movimiento de tierras, como laderas naturales de tierras o roca y trincheras excavadas. En este caso se precisa conocer las propiedades de los materiales en su estado natural in situ.

Las informaciones más importantes que necesita el ingeniero para su trabajo de proyecto y cálculo de la estructura se pueden clasificar en las siguientes:

1. Extensión en superficie y en profundidad de las capas de suelo que se verán afectadas por la estructura, junto con una descripción de su densidad relativa (suelo granular) y su grado de cohesión (suelo cohesivo).

2. Profundidad del estrato rocoso y tipo de roca, junto con una descripción litológica, espesor, estado de fracturación y de meteorización.

3. Localización del nivel freático y posible presencia de movimientos de filtración o presiones artesianas.

4. Propiedades del suelo y de las rocas, tales como permeabilidad, comprensibilidad y resistencia al corte.

Entre los métodos disponibles para obtener la información anterior se puede establecer dos grupos:

1. Métodos Indirectos: Fotografía aérea, interpretación topográfica de mapas, uso de informes geológicos ya existentes, cartografía geotécnica.

2. Métodos directos: Reconocimientos geológicos de campo. Sondeos y perforaciones.

Galerías de reconocimiento con extracción de muestras in situ alteradas e inalteradas.

Ensayos in situ: Penetrómetro estático (CPT), penetrómetro dinámico (SPT), cuyos resultados se pueden correlacionar con las propiedades de los suelos (Escuela Holandesa y Americana).

Ensayo del molinete, Presiónmetro, placa de carga, ensayo CBR, ensayo de carga de pilotes, en los que se mide las propiedades del suelo directamente (Escuela Francesa).

2. GENERALIDADES SOBRE LOS ENSAYOS EN MECANICA DE SUELO:Para estudiar las propiedades mecánicas de un suelo, con vistas

a dimensionar y calcular una cimentación, hay dos grandes métodos, ambos conceptualmente opuestos:

1. Extraer muestras inalteradas en diferentes capas del terreno para realizar ensayos de laboratorio.

2. Realizar ensayos in situ con objeto de determinar directamente las características del suelo.

2.1.ENSAYOS DE LABORATORIO CON MUESTRAS INALTERADAS: Su utilización, basándose en las teorías de Coulomb, Terzaghi, Caquot, Kérisel, etc., permitió el desarrollo de la primera época de la mecánica del suelo. Estos ensayos se agrupan en tres categorías, según el objetivo buscado:

1. Ensayos de identificación: Para identificar el tipo de suelo:

Humedad natural Límites de Atteberg. Granulometría. Peso específico aparente.

2. Ensayos de resistencia al corte: Determinan sus características intrínsecas para el estudio de la estabilidad.

Ensayos de corte directo. Ensayos triaxiales.

3. Ensayos de compresibilidad: Con los que se miden las características de compresibilidad, para realizar el estudio de previsión de asientos.

Índice de huecos. Presión de consolidación. Coeficiente de consolidación.

El mayor inconveniente de estos ensayos estriba en la posibilidad de que las muestras de suelo estén alteradas, junto a la

imposibilidad, intrínseca en algunos suelos, de extraer muestras inalteradas, como en el caso de gravas y arenas.

2.2.ENSAYOS IN SITU: En los últimos años se han desarrollado enormemente los ensayos in situ, dando lugar, a partir de los años cincuenta a la segunda gran época de evolución de la Mecánica del suelo. Las causas de este gran desarrollo de deben a:

Su aparente simplicidad. Dificultad para obtener muestras inalteradas. Su principio básico, consiste en solicitar las capas de suelo en

su estado natural. Su coste relativamente pequeño. La rapidez de ejecución, que lleva a resultados utilizables casi

instantáneamente.

La mecánica del Suelo se limitó durante mucho tiempo a realizar ensayos de laboratorio, ya que se pensaba que sólo éstos permitían controlar las condiciones de ensayo y determinar de “forma científica” las propiedades mecánicas del suelo. Los ensayos in situ se consideraban demasiado empíricos y sólo se aceptaban como ensayos cualitativos, que debían precisarse a posteriori con ensayos de laboratorio. Esta situación ha evolucionado de manera progresiva gracias a los trabajos de dos escuelas principales:

1. Escuela Holandesa y Americana: A partir de las investigaciones de Buisman (1935) y Barentsen (1936) con el penetrómetro estático y de Terzaghi – Peck (1967) con el penetrómetro dinámico.

2. Escuela Francesa: Con Louis Ménard, inventor de presiómetro (1956) e iniciador de un nuevo método alternativo de cálculo de cimentaciones basado en este, y el importante trabajo de normalización del LCPC.

En el momento actual, pues, y directamente relacionados con las dos escuelas mencionadas anteriormente, se pueden distinguir dos grandes maneras de orientar la ejecución y la interpretación de los ensayos in situ:

1. Método analítico: Consistente en deducir de estos ensayos los mismos parámetros que los que se miden en laboratorio, para a continuación utilizarlos en el cálculo de cimentaciones. Esta es la filosofía de la Escuela Holandesa y Americana.

2. Método global: Consistente en ligar directamente, mediante una ecuación empírica, la característica o parámetro medido in situ con la capacidad portante de la cimentación. Este método fue desarrollado principalmente por Ménard (1957) y actualmente es el utilizado por la Escuela Francesa.

Las dos formas de orientar la interpretación de los resultados llevan a concebir dos tipos de aparatos muy diferentes en la práctica habitual de los ensayos in situ. Además, obliga a clasificar los

aparatos utilizados en cada ensayo, precisando los parámetros que cada uno de ellos permite medir, dando reglas generales e interpretación de los resultados y recomendaciones para el cálculo de las cimentaciones. Las dos formas de orientar y entender los ensayos in situ, dan lugar, a su vez, a dos grandes categorías de ensayos, que se clasifican según el tipo de acción que ejercen sobre el suelo los aparatos utilizados:

1. Ensayos de rotura: Se trata básicamente de ensayos de penetración, en lis que se mide la resistencia a rotura del suelo para el ensayo considerado, en función de la profundidad alcanzada por el aparato. Esta forma de proceder sólo permite obtener datos para realizar un cálculo de las obras en rotura. A este grupo pertenecen el penetrómetro dinámico y el penetrómetro estático.

2. Ensayos de deformación: Son ensayos que permiten, a una cota dada, ensayar el suelo desde su estado inicial en reposo hasta el estado de rotura, definiendo la relación tensión – deformación del suelo, con lo que se puede realizar el cálculo de las obras en servicio. A este grupo pertenecen el ensayo presiométrico y el ensayo del molinete.

Los ensayos in situ implican una cierta alteración del estado natural del suelo. Moderadamente se ha desarrollado una técnica especial de ejecución de ensayos, denominada autoperforación, que ha dado lugar a la que se considera como tercera época del desarrollo de la Mecánica del suelo.

3. ENSAYOS DE ROTURA: Consiste en hincar un aparato en el suelo y medir el esfuerzo Q1

que se opone a su penetración. Se produce, pues, una compresión completa del material, y el esfuerzo medido corresponde a una característica del suelo en rotura, la cual, a su vez, depende del aparato y del procedimiento operativo o forma de introducción del mismo en el suelo. Estos aparatos de denominan penetrómetros y según la forma de hincarlos en el suelo pueden ser dinámicos o estáticos.

Un penetrómetro es un aparto de forma lineal con una cabeza cónica, con ángulo aproximado de 60° , que se introduce de forma mas o menos continua en el terreno. Terzaghi, en el Congreso internacional de Mecánica del Suelo de Zurcí en 1953, cita como primer antecedente histórico del ensayo de penetración estática un aparato empleado por él en Nueva Cork en 1929. Prescindiendo de otros ensayos análogos más sencillos, utilizados anteriormente en los países nórdicos, el primer aparato de Terzaghi de los del tipo denominado de lanza de agua, se servía de la presión de la misma, transmitida por el propio cono de penetración, para evitar la influencia del rozamiento lateral sobre el varillaje, y así registrar de manera continua la penetración en los suelos arenosos. Casi simultáneamente Buisman (1935) desarrolló en Holanda

un penetrómetro estático, que con mayores o menores modificaciones ha llegado hasta nuestros días, bajo la denominación común de tipo holandés.

Respecto a la penetración dinámica, es el propio Terzaghi, quién con unas ideas de H. A. Mohr (1943), y en la búsqueda de nuevos tipos de tomamuestras, comenzó a contar el número de golpes necesarios para introducir dicho aparato en el terreno. Así nació el Standard Penetration Test (SPT), que ha dado lugar, sobre la idea original, a diversos tipos de penetrómetros dinámico.

A continuación se van a describir las características principales de los penetrómetros estáticos y dinámicos para que al profano en Mecánica del Suelo le sirva de guía y orientación en la penetración de resultados, y para saber cómo orientar la búsqueda de información en caso necesario. Para ello se tratará de responder a las preguntas siguientes:

¿Qué es un penetrómetro? ¿Qué datos proporciona el terreno? ¿Qué tipos hay? ¿Para qué sirven los valores deducidos del ensayo ante un

problema determinado?

3.1.PENETRÓMETROS DINÁMICOS:

A) Fundamentos del ensayo: Consiste en hacer penetrar en el suelo, por percusión, un tren de tubos con un diámetro de 30 mm< <70 mm, dotado en un extremo de un tubo sacamuestras o de una punta. El hincado se hace con ayuda de una masa que golpea cayendo desde una altura determinada, denominada maza. El ensayo de penetración dinámica permite simular el hincado de un pilote y determinar la resistencia dinámica del terreno a la hinca.

NNÚMERO DE GOLPES

PARA 10 cm DE PENETRACIÓN

B) Parámetros medidos: Para una energía de hincado constante, se cuenta el número N de golpes de maza correspondientes a una penetración dada S0, representando los resultados en un diagrama que recibe el nombre de penetrograma dinámico.

C) Clasificación de los penetrómetros dinámicos: El hincado del penetrómetro hace intervenir a la vez los dos efectos fundamentales del aparato sobre el suelo durante el ensayo.

La resistencia por punta. El rozamiento lateral.

Para neutralizar el rozamiento lateral se utilizan dos artificios principales, a saber:

1. Dotando al penetrómetro de una punta cónica, cuyo diámetro sea mayor que el de los tubos, con lo que el rechazo del suelo se define con el coeficiente:

(2)

2. Dotando al penetrómetro de una camisa protectora en la que la punta puede deslizar en el interior de aquellas, con lo que el rechazo del suelo se puede caracterizar mediante el cociente:

(2)

Donde:: es el número de golpes que da una penetración

de la punta.

D) Interpretación de resultados: El problema consiste en determinar la fuerza estática que produciría una penetración permanente igual a la obtenida con un golpe de maza. En penetrómetros de punta cónica se pueden utilizar varias formas empíricas. La más usada es la fórmula de los holandeses, que considera un penetrómetro de peso que penetra con un golpe de maza de peso que cae desde una altura . Toda fórmula de hincado impone que la energía de la maza se transmite en todo o en parte al penetrómetro, o sea:

(3)

Siendo la carga de rotura e ignorando la naturaleza elástica del choque y las consecuentes pérdidas de energía por compresión elástica del suelo y del penetrómetro. La fórmula de los holandeses supone aceptar la hipótesis de que es un choque de tipo elástico:

(4)

Los resultados se representan en p’enetrogramas dinámicos, que dan, en función de la profundidad :

1. La resistencia dinámica unitaria por punta :

(5)

2. El número de golpes precisos para hundir el aparato a una cierta profundidad.

E) Ensayo SPT: Standard Penetration Test: Ensayo de penetración dinámica, desarrollado por Terzaghi – Peck (1967) y muy utilizado en EEUU. Consiste en hincar una barrena hueca sacamuestras de dimensiones normalizadas por la ASTM (tubo de 51 mm de diámetro y de 813 mm de longitud) con una maza de 63.5 Kg., que cae desde una altura de 76 cm. El tubo sacamuestras se fija a un tren de tubos de 35 mm de diámetro exterior y se cuenta el número N1, N2, N3 cada 15 cm de penetración. El parámetro que se mide es el número N de golpes tal que N = N2 + N3, o sea, 30 cm de penetración. La profundidad de casa fase de cada fase de penetración es de 45 cm, es decir, N1

+ N2 + N3 = 45 cm.

Sistema operativo: Todos estos aparatos son de una tecnología muy simple pero han de respetarse reglas muy estrictas para su utilización.

-- El valor de la energía de hinca o masa de la maza en caída libre y altura de ésta.

-- La frecuencia de percusión que se recomienda d 30 golpes por minuto.

En el caso del SPT hay que asegurarse de que el fondo de la perforación se ha limpiado convenientemente. La comparación de N1, N2 es un buen criterio para ello.

Los penetrómetros dinámicos con puntas cónicas suelen ser aparatos ligeros que no plantean problemas de manejo. Existen aparatos pesados para los que la maza llega a pesar

750 Kg., con una altura de caída de 1 m y con un poder de penetración importante. Sin embargo, han de ser transportados en camiones, lo que dificulta su empleo por razones de accesibilidad. El ensayo SPT necesita utilizar una máquina perforadora que permita utilizar el entubado de diámetro estándar propio del ensayo.

Campo de aplicación e interpretación de resultados: El campo preferente de aplicación es el reconocimiento cualitativo de suelos, para los problemas siguientes:

1. Controlar la homogeneidad del terreno.2. Determinar los espesores de las diferentes capas de suelo,

especialmente de las capas compactas y no penetrables por otros métodos.

3. Localizar cavidades, huecos y discontinuidades.4. Estudiar el lecho rocoso de las cimentaciones.5. Proporcionar datos útiles para prever las condiciones de

hincado de pilotes o tablestacas.

Existen reglas empíricas para utilizar los resultados de los ensayos de penetración dinámica SPT, a partir de la resistencia dinámica unitaria y del número de golpes

Tensión admisible bajo una cimentación: Se ha propuesto la fórmula siguiente:

(6)

Donde es un coeficiente empírico con estos valores:

6 < < 12 cimentaciones profundas. 15 < < 20 cimentaciones superficiales.

Este tipo de fórmulas han de ser usadas con gran prudencia.

Corrección de N(SPT) en suelos sobreconsolidados: Gibbs

– Holtz (1957), Bazaraa (1967) y Peck – Bazaraa (1969) dan las fórmulas siguientes:

(7)

Según Bazaraa (1967), respecto a las ecuaciones anteriores hay que tener en cuenta las observaciones siguientes:

1. N aumenta respecto a N’ (SPT) obtenido in situ si la presión de sobreconsolidación es <1.5

2. N disminuye respecto a N’ (SPT) cuando >1.53. cuando N’ (SPT) da un valor de <0.5 no deben usarse

estas ecuaciones.4. No se debe corregir N a valores mayores de 2N’.5. Estas ecuaciones deben usarse con precaución.

Correlaciones empíricas: Inicialmente el ensayo SPT fue concebido para suelos granulares (sin cohesión), que no permiten la extracción de muestras inalteradas para realizar ensayos de laboratorio. Actualmente este ensayo se aplica a todo tipo de suelos, tanto granulares como cohesivos, para los que el ensayo se realiza con el siguiente criterio:

-- Profundidades pequeñas: Ensayo cada metro.-- Profundidades muy grandes: Ensayo cada 2 metros.

Para suelos granulares se han establecido algunas correlaciones empíricas en función del estado de compacidad del suelo, que se resume en las tablas siguientes:

Suelo Muy suelto

Suelto Medio Denso Muy denso

0 a 0.15 0.15 a 0.35

0.35 a 0.65

0.65 a 0.85

< 1.00

N (SPT)

0 a 4 4 a 10 10 a 30 30 a 50 N > 50

25° - 30° a 27° - 32°

27° - 32° a 30° –

35°

30 – 35 a 35 – 40°

35 – 40° a

38° - 43°

> 30° - 43°

1.1 a 1.6 1.4 a 1.8 1.7 a 2.09 1.7 a 2.2 2.0 a 2.3

Suelo Muy Bland

o

Blando

Medio Rígido Muy Rígido

Muy Denso

0 a 0.5

0.5 a 1.0

1.0 a 2.0

2.0 a 4.0

4.0 a 8.0

> 8.0

N (SPT) 0 a 2 2 a 4 4 a 8 8 a 16 16 a 32

N > 32

1.6 a 1.9 1.7 a 2.0

1.9 a 2.2

La tabla anterior supone establecer una correlación entre y N mediante una ecuación del tipo:

(8)

Para el caso de los suelos cohesivos, se han establecido las siguientes correlaciones: Terzaghi – Peck (1967), si N’ > 15 recomiendan:

N = 15 + (N - 15)2 (9)

Bazaraa (1967), si N’ < 15 recomiendan:

N = 0.6 N’ (10)

Capacidad portante de un suelo de cimentación: El ensayo SPT se utiliza mucho en la práctica para estimar la presión admisible en suelos granulares: arenas, gravas arenosas, arenas con algo de limo. Además de la ecuación (6), hay otras expresiones de diversos autores.

-- Ábacos de Terzaghi – Peck (1967), cuyas curvas se ajustan con la ecuación propuesta por Teng (1962).

(11)

-- Meyerhof (1956):

(12)

(13)

B: Ancho de la cimentación.: Máxima presión admisible para un asiento

máximo estimado de una pulgada.N: Valor representativo N (SPT) en la zona de influencia de tensiones transmitidas por la cimentación, corregido por la presión de preconsolidación según las ecuaciones (7).

Las ecuaciones (11), (12) y (13) pueden corregirse en función de la profundidad D a la que se realiza el ensayo, de acuerdo con los coeficientes siguientes:

Ecuación (11):

(14)

Ecuaciones (12) y (13):

(15)

A raíz de observaciones realizadas en zapatas reales se llega a la conclusión de que las ecuaciones anteriores son demasiado conservadoras y deben aumentarse en un 50%, a partir de los métodos habituales de obtención de N (SPT). Las ecuaciones de Meyerhof (1956) se transforman en:

(16)

Para cimentaciones de zapatas tal que B<<<4, la presión admisible se puede tomar como:

(17)

Que supone un 50% de incremento respecto a la fórmula original.

Todas las fórmulas anteriores proporcionan el valor de para un asiento aproximadamente de 1 pulgada. En general, la presión admisible neta para un asiento genérico diferente al de referencia, se define:

(18)

3.2.PENETRÓMETROS ESTÁTICOS: A) Fundamento del ensayo: el penetrómetro estático consta de un

tubo exterior de 5< <10 cm, dentro del cual se desliza una barra metálica terminada en una punta cónica. Se hinca a velocidad constante (3 mm/s), aplicando una presión continua, con un gato hidráulico. El ensayo mide, en el momento de rotura, la carga en la barra y en el tubo exterior por separado.

B) Parámetros medidos: La carga en el tubo que roza con el suelo es el valor del rozamiento lateral medio por unidad de superficie.

(19)

Donde es la superficie lateral total del tubo exterior.La carga aplicada sobre la barra define la resistencia por

punta del penetrómetro :

(20)

Donde es la máxima sección del cono de punta.Los resultados del ensayo se representan en diagramas

denominados penetrogramas, en función de la profundidad.

C) Clasificación de los penetrómetros estáticos: De penetración discontinua o cono móvil: El esfuerzo por

punta se obtiene exclusivamente por penetración del cono bajo el fuste. Éste es el caso del penetrómetro holandés Gorda, cuyo procedimiento operativo es:

-- Se mide primero el esfuerzo total para hincar el conjunto tubo más cono 16 cm.

-- Se hinca a continuación sólo el cono 4 cm y se mide así la resistencia por punta .

-- El esfuerzo de rozamiento lateral se obtiene así:

(21)

La punta cónica está diseñada de forma que entre esta y el tubo exterior no quede aprisionado suelo, para lo que la punta (de 10 cm2 de sección) se continúa con una carcasa de forma troncocónica a la que se solidariza.

El dispositivo de carga permite un esfuerzo máximo de hincado en este penetrómetro de 10 t, que se transmiten mediante hélices de

anclaje al terreno o al propio vehículo sobre el que se monta el aparato. Las partes fundamentales en que se divide son:

1. Bastidor metálico: Este elemento puede variar según el alcance del aparato, pero en esencia consta de un sistema de guía del pistón de empuje, con posibilidad de presión sobre el entubado exterior o el varillaje interior. Estas guías van montadas sobre patas o patines donde se sujetan los anclajes o el lastrado; pueden ir también instalados sobre un vehículo.

2. Sistema de presión: La presión necesaria se suministra mediante una bomba hidráulica, movida por un motor de explosión.

3. Sistema de medida: En la cabeza del pistón de empuje dos manómetros independientes dan el valor de la carga aplicada, diferenciando la presión total (entubado y cono) de la del cono solo.

4. Sistema de penetración: Esta parte consta de un entubador exterior, varillaje interior y cono de penetración. Siguiendo las normas internacionales, esta clase de aparatos llevan un entubado exterior de 35.6 mm de diámetro, hueco, y un varillaje interior de 14 mm. La punta de penetración es cónica, de ángulo de 60° y 10 cm2 de sección. Como se puede ver en la figura 8, el varillaje interior actúa sobre la punta independientemente del efecto del entubado exterior sobre el conjunto total; de esta manera se pueden efectuar lecturas totales y de resistencia por punta separadamente.

De penetración continua o cono fijo: En este tipo de aparatos no hay movimiento relativo entre la punta cónica y el tubo exterior. El esfuerzo por punta se mide por procedimientos mecánicos o eléctricos:

D) Interpretación de resultados: La interpretación de los ensayos con el penetrómetro estático se hace a partir de la resistencia unitaria por punta ya que el esfuerzo total hincado sólo da una información de tipo cualitativo, y el esfuerzo total de rozamiento lateral, tampoco es un valor seguro, ya que es la integración del rozamiento lateral a lo largo de todo el tubo en capas con propiedades mecánicas diferentes.

El ensayo permite una interpretación de tipo cualitativo y otra de tipo cuantitativo de los resultados obtenidos.

Interpretación cualitativa: Permite ensayar de forma rápida terreno0s a gran profundidad, por lo que es adecuado para reconocimientos previos. Tras un ensayo con penetrómetro estático, se puede emitir un juicio sobre la heterogeneidad del

suelo, tanto en extensión como en profundidad, y clasificarlo según su dureza.

Conviene tener en cuenta los siguientes puntos importantes en la interpretación cualitativa de resultados:

1. La resistencia unitaria por punta sólo es representativa de la dureza del suelo si éste no tiene elementos gruesos. Si La punta encuentra gravas o bolos se obtiene por exceso. La dimensión límite de los granos para obtener datos fiables de

depende de la sección del cono de punta. Con un cono de 10 cm2 los resultados se pueden ver alterados para un diámetro .

CLASIFICACIÓN APROXIMADA DE SUELOS A PARTIR DE LA RESISTENCIA UNITARIA POR PUNTA:

PENETRÓMETRO ESTÁTICO.RESISTENCIA UNITARIA

Kp/cm2

NATURALEZA PROBABLE DEL SUELO

APTITUD PARA

CIMENTAR

0 a 10 Arcilla compresibleArena suelta saturada

Suelo mediocreNo apto

10 a 50 Arcilla inconsistenteArena suelta

Suelo apto para cargas débiles

50 a 100 Arcilla consistenteArena compacta

Suelo apto para cargas medias

> 100 Arcilla rígidaArena muy compacta

Suelo bueno sin problemas

La resistencia unitaria por punta del cono no permite por sí misma determinar la naturaleza real del suelo (cohesivo/granular, permeable/ impermeable, etc.), por lo que se ocurre a definir un índice de rozamiento, como el cociente considerando que éste si puede dar una indicación más precisa de la naturaleza del suelo, de acuerdo con la tabla siguiente:

CLASIFICACIÓN APROXIMADA DE SUELOS A PARTIR DEL ÍNDICE DE ROZAMIENTO OBTENIDO:

PENETRÓMETRO ESTÁTICO.RESISTENCIA UNITARIA

Kp/cm2

ÍNDICE DE ROZAMIENTO

NATURALEZA PROBABLE DEL

SUELO

> 100 0 a 200 Relleno, roca blanda25 a 100 50 a 200 Arena, grava

0 a 25 20 a 50 Arena limosa, limo> 50 > 20 Arcilla

0 a 10 8 a 12 Suelo orgánico

2. Para otros suelos, las propiedades tienen a ser infraestimadas, como sucede en el caso de limos y arenas sueltas saturadas, en la que pueden llegar a tener valores demasiado pequeños.

3. El penetrómetro estático no permite determinar la posición del nivel freático.

En conclusión, se puede decir que el penetrómetro estático resulta ventajoso por su simplicidad y por la velocidad de manejo y obtención de resultados, así como por el hecho de ser un detector de problemas que permite planificar de forma adecuada una posible campaña de sondeos complementaria, si se decide en un momento dado que ésta es necesaria. Interpretación cuantitativa: La interpretación cuantitativa

exige conocer el tipo de penetrómetro y asegurarse de que se ha respetado el modo operativo (velocidad de penetración de 2 cm/s). Suele referirse a penetrómetros continuos, ya que los discontinuos dan valores de más elevados (en suelos cohesivos poco consistentes, el doble de los obtenidos con penetración continua).

Existen modelos para determinar los parámetros de corte y compresibilidad del suelo a partir del valor de :

1. Ángulo de rozamiento interno en suelo granular . Este modelo está actualmente en desuso:

(22)

: peso específico aparente del suelo.: profundidad en el punto considerado: tensión vertical total debido al peso de tierras,

calculada a la cota : coeficiente de profundidad de la capacidad

portante de zapatas, en función exclusivamente del ángulo de rozamiento interno .

2. Cohesión sin drenaje en suelo cohesivo. Se puede obtener un orden de magnitud con la forma siguiente:

(23)

Donde es el coeficiente de cohesión de la capacidad portante de zapatas, de valor aprox. 10 < < 15 ( ).

3. Tensión límite de rotura en cimentaciones La resistencia por punta se emplea en fórmulas del tipo siguiente:

(24)

: coeficiente de tipo empírico.: tensión límite de rotura. Con coeficiente de

seguridad 3, se obtiene el valor de la tensión admisible en servicio.

E) Aplicaciones al cálculo de cimentaciones superficiales: Cálculo de la capacidad portante: El cálculo a partir del

penetrómetro estático es delicado y no siempre da resultados correctos, principalmente en suelos con poca resistencia a la resistencia a la penetración. El coeficiente empírico permite, en un anteproyecto, hacerse una idea de la calidad del suelo y decidir si es preciso recurrir a otros ensayos más elaborados. Los valores habituales de en zapatas, corridas o cuadradas, empotradas en el terreno a profundidad D igual al ancho B (D/ B = 1), son:

TIPO DE SUELO

RESISTENCIA UNITARIA DEL CONO

Kp/cm3

COEFICIENTE D/ B = 1

ZAPATA CORRID

A

ZAPATA CUADRADA

Arcilla blanda de mediana consistencia

0 a 50 2.7 1.8

Arcilla dura a muy dura > 50 3.3 2.3Limo o arena suelta 0 a 25 1.7 1.1

Arena medianamente compacta

25 a 100 3.6 2

Arena compacta a muy compacta

> 100 5 2.9

Con penetrómetro holandés, Schmertmann (1975) sugiere:

(25)

: Resistencia del cono en [kp/cm2].: Coeficiente de peso específico de la capacidad

portante de zapatas, mientras que los coeficientes portantes se obtienen a partir del ángulo .

Meyerhof (1956) propone un procedimiento más fácil para obtener la tensión admisible para un asiento de una pulgada:

B > 4

(26)

B > 4

: Resistencia del cono por punta en .B: ancho de la zapata en pies [ft].Para losas de cimentación continuas Meyerhof (1956)

modifica la fórmula anterior, multiplicando por 2 el segundo término:

(27)

Para suelos cohesivos Schmertmann (1975) sugiere la posibilidad de obtener la cohesión sin drenaje :

(28)

: Resistencia del cono por punta.: Presión de preconsolidación total en el punto donde se

realiza el ensayo.: Coeficiente portante de la zapata (5 < < 70), para

>10% y OCR <2. Para conos eléctricos =10 y para conos mecánicos =16.

Cálculo de asientos: Ha habito intentos, por parte de muchos investigadores, de ligar empíricamente la resistencia a las características de compresibilidad de los suelos cohesivos, para así poder obtener su módulo edométrico e índice de compresibilidad. No obstante, no es recomendable la utilización del ensayo penetrométrico para el cálculo de los asientos en cimentaciones superficiales.

F) Aplicaciones al cálculo de cimentaciones profundas: La aplicación más inmediata y natural del ensayo penetrométrico estático en la estimación de la carga de rotura de un pilote aislado, que se calcula como suma de dos términos, a saber, el término de resistencia por punta y el término de rozamiento lateral :

(29)

En general se admite que los coeficientes de seguridad que se deben adoptar n la ecuación anterior son:

-- Término de punta: 3.-- Término de rozamiento lateral: 2.

Con lo cual la carga nominal de un pilote aislado será:

(30)

Cálculo de la resistencia por punta: La resistencia por punta se obtiene a partir de la resistencia unitaria límite de rotura

por punta pq : (31)

Donde es la sección recta del pilote y se obtiene de la expresión general, particularmente para pilotes:

(32)

Los valores de dependen de los factores siguientes:

-- Tipo de suelo.-- Tipo de pilote: hincado o perforado.-- Empotramiento relativo D/B en la capa resistente.

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA POR PUNTA DE UN PILOTE AISLADO A PARTIR DEL VALOR OBTENIO CON

PENETRÓMETRO ELÁSTICOTIPO DE SUELO PARA D/B = 5

HINCADO PERFORADO

Arcilla blanda de mediana consistencia

0 a 50 1.5 1.7 40

Arcilla dura a muy dura > 50 1.1 1.25 100Limo o arena suelta 0 a 25 0.6 0.60 10 a

20Arena medianamente

compacta25 a 100

1.15 1.3 100

Arena compacta a muy compacta

> 100 1.1 1.4 300

Cálculo de la resistencia por rozamiento lateral: Es preciso conocer los valores , para el cálculo de la resistencia por rozamiento lateral:

(33)Donde se deduce de forma empírica en el nivel

considerado:

(34)

Aunque se precisan los coeficientes , hay que decir que el cálculo de la carga de rotura de un pilote a partir de los ensayos con penetrómetro estático conduce en general a

valores bastante próximos de la realidad. De hecho, el ensayo penetrométrico no es más que un ensayo a escala reducida del pilote real, De ahí la fiabilidad de los resultados.

3.3.CARGA ADMISIBLE DE PILOTES: Los pilotes son un tipo de cimentación muy antiguo, por lo que se han desarrollado diferentes métodos de tipo empírico para evaluar su capacidad de carga admisible. Estos métodos se pueden clasificar en dos grupos diferentes:

1. Métodos dinámicos: Se basan en la interpretación de las condiciones de hinca de los pilotes con dos procedimientos:

-- Hinca real con pilotes análogos a los utilizados y en los que el asiento obtenido en función de la energía utilizada permite evaluar la carga de rotura y de ahí la carga admisible en servicio.

-- Por correlación a partir de hincas miniatura: SPT.

2. Métodos estáticos: Calculan la carga admisible a partir de un ensayo directo de carga:

-- En verdadera magnitud con un pilote real.-- En modelo reducido: penetrómetro estático.

Comparación entre el penetrómetro dinámico y el estático: Bolomey (1971) afirma que, en general, con el penetrómetro dinámico, se obtienen valores de resistencia del terreno al punzonamiento iguales o inferiores a lo valores obtenidos mediante penetrómetros estáticos, pero nunca mayores para profundidades superiores a los 15 m. Con el penetrómetro dinámico reobtienen valores idénticos de la resistencia del terreno, que mediante penetrómetros estáticos, cuando el terreno, compacto o blando, no tiene granos iguales o superiores al tamaño de una arena media (0.6 mm).

En caso contrario, las resistencias dinámicas obtenidas pueden ser inferiores a las estáticas. Esta diferencia es máxima en los casos siguientes:

1. Suelos granulares sin cohesión de granulometría uniforme. En este caso la diferencia aumenta con el diámetro de los granos.

2. Suelos cohesivos con gravillas y gravas.3. Suelos cohesivos cuya resistencia medida con el penetrómetro

estático es mayor que 200 Kp/cm2.

Por lo expuesto anteriormente, el cálculo de una cimentación mediante penetrómetro dinámico ofrece mayor seguridad que el cálculo basado en el penetrómetro estático. Estas consideraciones explicarían el mal funcionamiento de algunas construcciones antiguas, algunas de época romana, debido a las vibraciones provocadas por el tráfico. Con los valores obtenidos con el

penetrómetro estático este mal funcionamiento no se explica. En el caso de terrenos blandos, la presencia de arena en ellos no afecta al resultado del penetrómetro estático y dinámico. No obstante, la presencia de elementos gruesos en el terreno falsifica el resultado de los penetrómetros estáticos que dan valores demasiado altos. Se recomienda, por tanto, el uso del penetrómetro dinámico en terrenos que tienen resistencia a la penetración entre 10 – 200 Kp/cm2.

Como comparación entre los penetrómetros estáticos y dinámicos, se adjuntan dos tablas, debidas a Schultze – Knausenberger (1957). La primera presenta las ventajas e inconvenientes de los dos tipos de penetrómetros y la segunda la utilización más adecuada de cada uno de ellos en función del tipo de suelo.

PENETRÓMETROS

VENTAJAS INCONVENIENTES

ESTÁTICOSRegistran con gran precisión la resistencia elástica del suelo.

Manejo laborioso. Profun-didad de penetración depen-de de los contrapesos nece-sarios para lograr la reacción precisa.

ESTÁNDAREl ensayo dinámico más fiable, llegando a gran profundidad y trabajando bajo el agua. Proporciona muestra inalterada.

Es imprescindible el sondeo previo.

DIN

ÁM

ICO

S S

IN

EN

TU

BA

MIE

NTO

PESADOSPueden llegar hasta 20 m y son fáciles de manejar.

Determinan con facilidad la secu-encia de estratos. El número de golpes da una idea de la com-pacidad o consis-tencia del suelo.

Se pierde el cono o puede ser laborioso recuperarlo.

MEDIOS

Llegan a menos de 15 m en suelos de resistencia media. Fáciles de manejar.

Igual que los pesados.

LIGEROS

Llegan a unos 10 m máximos y son de una gran rapidez de utilización.

Sólo sirve de prueba rápida para reconocer capas superficiales.

DINAMICOS CON ENTUBAMIENTO

Son muy fiables, sobre todo en suelos en que cabe esperar resistencia al varillaje.

Para utilizarlo hace falta más tiempo que con los dinámicos sin entubamiento.

TIPO DE SUELO TIPO DE PENETRÓMETRO

UTILIZACIÓN

GRAVAS ESTÁTICOSNecesitan un gran contrapeso y construcción muy robusta.

DINÁMICOSLa resistencia del varillaje es muy baja. No existe para los dinámicos con entubado.

ARENAS

ESTÁTICOS Igual que para las gravas.

DINÁMICOSSi se sobrepasa el nivel freático es preferible emplearlos con entubado para evitar hundimiento. Preferible el SPT.

LIMOSPueden emplearse todos, pudiendo eliminar la resistencia del varillaje con un cono de mayor diámetro que éste.

ARCILLAS

Pueden emplearse el estático, el SPT y el dinámico con entubado. No se deben emplear los dinámicos sin entubados a causa de la resistencia del varillaje. Preferible el estático si lo permite la reacción.

3.4.FÓRMULAS DINÁMICAS DE HINCA: La hinca dinámica de un penetrómetro o de un pilote permite estimar la resistencia de un terreno cuando se conoce la energía cinética que h producido esta hinca, que debe ser igual al trabajo de hinca más las pérdidas de energía. Las pérdidas e energía útil para la hinca tienen tres orígenes distintos: las deformaciones elásticas de las piezas golpeadas y del suelo, la naturaleza plástica del choque, la resistencia momentánea del agua a la hinca en terrenos cohesivos de pequeña permeabilidad.

Las diferentes fórmulas dinámicas, que se diferencian entre sí por los coeficientes de corrección que tienen en cuenta las pérdidas anteriores, dan resultados parecidos para hincas superiores a 2 cm. Para hincas pequeñas, las pérdidas de energía aumentan rápidamente en relación con el trabajo útil, hasta llegar a un valor infinito para hincas nulas, por lo que la resistencia teórica del terreno dependerá de la fórmula empleada.

A) Fundamento de las fórmulas: Los ensayos de penetración dinámica en un suelo de un pilote o penetrómetro, consiste en medir la hinca bajo el efecto de una energía cinética conocida. Esta hinca, que depende principalmente de la resistencia del suelo, de la naturaleza del golpe, de la electricidad del pilote y del terreno, corresponde a la transformación de la energía cinética en trabajo:

Trabajo de hinca +energía cinética = Trabajo de deformaciones + pérdidas.

La deducción de las fórmulas de hinca dinámica se hace siguiendo estos pasos:

1. Se deduce, de las características medidas en la hinca, la resistencia ofrecida por el terreno a la hinca del pilote.

2. Se admite que esta resistencia se puede considerar como la carga de rotura.

3. Se deduce de la anterior la carga admisible.

En la práctica se omite el paso 2, con lo que una fórmula dinámica relaciona a la hinca y la carga admisible, basada en el trabajo o en la cantidad de movimiento:

(35): Capacidad de carga del pilote en servicio, que resulta ser

si la fórmula está bien tarada.: Peso y altura de caída de la maza.

: Asiento medio del pilote bajo un golpe de maza.: Peso del pilote y accesorios de la hinca.

B) Fórmulas basadas en la igualdad del trabajo: La maza da en cada golpe un trabajo igual a Mh , sin considerar pérdidas que se

deben a rozamientos, choques, etc. El trabajo eficaz se expresa mediante el coeficiente :

(36)

Este trabajo se emplea directamente en lo siguiente:1. Asiento del pilote: 2. Deformación elástica del pilote y suelo:

Donde: : reacción del pilote, relacionada con R a través del coeficiente

de seguridad F.(37)

: Asiento del pilote y coeficiente empírico.

La igualdad del trabajo se escribe:

(38)

La capacidad de carga, con el coeficiente de seguridad F:

(39)

La fórmula del Engineering News es de este tipo.

Fórmula simplificada del Engineering News:

(40)

: Coeficiente de reducción que vale = 6: Coeficiente empírico que vale:

Mazas mecánicas = 0.0250 m.Mazas a vapor = 0.0025 m.Mazas vibrantes/diesel = 0.0025 m.

: Energía característica de la maza.

Fórmula completa del Engineering News: Tiene en cuenta la relación de pesos entre el pilote y la maza, modificando la fórmula anterior en .

(41)

Las fórmulas anteriores son de uso frecuente en EEUU y según Cummings (1940) fueron propuestas en su versión original por Wellington (1888).

C) Fórmulas basadas en la cantidad de movimiento: Antes del choque, la velocidad de la maza (M) es e inmediatamente después la velocidad del sistema maza + accesorios + pilote (M + P) es . Esta velocidad se anula en una longitud siendo el asiento elástico pilote + terreno.

Teniendo en cuenta los rozamientos, la velocidad es:

(42)

Las velocidades , están relacionadas por la constelación de la cantidad de movimiento (sin pérdidas):

(43)

La aceleración del pilote (desaceleración) vale:

(44)

La resistencia al hundimiento se define así:

(45)

Donde es la reacción del pilote. Simplificando, se tiene:

(46)

Aplicando el coeficiente de seguridad F:

(47)

Análogamente y es el coeficiente de reducción. La fórmula de los holandeses y la de Crandall son de este tipo.

Fórmulas de los holandeses y de Crandall: Estas dos fórmulas se las puede considerar complementarias y se suelen utilizar con estos criterios:-- Se prefiere la fórmula de los holandeses cuando el rechazo

elástico es superior a un límite comprendido entre 5 – 8 mm, para círculos inscritos en la sección del pilote de 20 – 50 cm efectivamente.

(48)

Donde y se desprecian las deformaciones elásticas que se integran en , tomando

-- Se prefiere la fórmula de Crandall (1931) cuando el rechazo elástico es inferior a este límite.

(49)

D) Crítica de las fórmulas dinámicas: Se basan en el hecho de que el trabajo desarrollado por la maza o su cantidad de movimiento son datos conocidos y medibles, lo que sólo es factible para mazas cuyo peso es comparable al del pilote.

Las fórmulas de hinca se deben utilizar en suelos granulares relativamente compactos y permeables ya que si los terrenos están muy saturados, la fórmula de los holandeses da resultados demasiado pesimistas. En suelos cohesivos poco permeables el agua intersticial se comprime en la hinca y se elimina muy lentamente, lo que conlleva una descompresión del terreno. En este caso, se recomienda para la hinca durante algunos días y hacer ensayos después de la consolidación.

E) Fórmula de Janbu: Fórmula debida a Janbu (1962) que está muy contrastada experimentalmente y que sirve de base a la fórmula adoptada por la Norma Tecnológica Española de Pilotes Prefabricados (NET – CPP). La expresión general se escribe:

(50)

Donde para condiciones medias de hinca y el valor de los coeficientes es el siguiente:

(51)

F) Fórmula de la Norma Tecnológica Española (NTE): La NTE ha elegido la fórmula de Janbu (1962), pero transformada, para que su utilización sea automática. Siguiendo a Jiménez Salas (1975), se sustituyen los valores y se despeja :

(52)

Con un coeficiente de seguridad F se tiene, con densidad y tensión admisible del pilote:

(53)

Obteniéndose entonces:

(54)

La fórmula anterior permite la posibilidad de tabular el rechazo relativo si se conoce . En la NTE se expresa en milímetros y L en metros. Se consideran cuatro tensiones admisibles para los pilotes 35, 65, 95, 125 Kp/cm2. Para las dos tensiones primeras se toma E = 350.000 Kp/cm2 y para las dos últimas, considerando que el hormigón utilizado habrá de ser de gran calidad, se toma E = 400.000 Kp/cm2. Se considera además =2.500 Kg/m3.

4. ENSAYOS DE DEFORMACION:Según el tipo de solicitación ejercida sobre el suelo, se distinguen

dos familias de ensayos:

-- Ensayos de expansión cilíndrica: Presiómetro de Ménard. -- Ensayos de corte por torsión, hechos con molinetes.

4.1.EL PRESIÓMETRO DE MÉNARD: A) Fundamento del ensayo: El presiómetro de Ménard se compone

tres partes:

1. Sonda: Se introduce en una perforación realizada previamente y consta de tres células cilíndricas dilatables, una central de medida, y dos de protección en ambos extremos.

2. Controlador presión volúmenes (CPV): Es el aparato que, situado en la superficie, permite solicitar la sonda y hacer las medidas correspondientes.

3. Tubo de conexión: Conducto de plástico semirrígido que transmite los fluidos del CPV a la sonda.

El ensayo consiste en dilatar la sonda mediante escalones de presión iguales, que se mantiene cada uno durante 1 minuto, anotando las deformaciones resultantes en la célula de medida. Tras algunas correcciones relativas a la presión (altura piezométrica y resistencia intrínseca de la sonda a la dilatación) y a la variación de volumen (tubos, CPV), se puede trazar la denominada curva piezométrica.

La curva piezométrica da la variación de presión (Kp/cm2) en el contacto del suelo con la sonda, en función de la variación de volumen (cm3), presentando tres fases sucesivas:

1. Fase inicial OA que corresponde a la recarga del suelo, descomprimido por la perforación previa, antes de colocar la sonda.

2. Fase AB o pseudoelástica, donde las variaciones de volumen son prácticamente proporcionales a las variaciones de presión

.3. Fase BC o plástica, donde las variaciones de volumen son

mucho mayores que las variaciones de presión correspondientes.

B) Parámetros medidos: La curva presiométrica permite determinar dos parámetros en el suelo ensayado. -- Módulo presiométrico: Denominado es un módulo medio

deducido de la teoría de la elasticidad para toda la fase AB. Se demuestra que vale:

(55)

: Volumen de la sonda en reposo.: Volumen inyectado en la sonda desde el inicio del ensayo

hasta la mitad e la fase AB.: Coeficiente de Poisson (0.33 por convenio).

-- Presión límite: Denominada es el valor asintótico en la curva presiométrica.

Suponiendo un suelo con comportamiento elastoplástico y criterio de rotura de suelo sin drenaje ( ), se pueden interpretar las diferentes fases de la deformación:

Fase elástica: El estado tensional debido a la expansión de la sonda, si es el radio del taladro, se expresa con las ecuaciones siguientes:

(56)

La presión media es nula, lo que demuestra que el ensayo presiométrico es exclusivamente desviador y sólo depende del módulo de cortante G = E/2 ( ). Al final de la fase elástica el suelo plastifica alrededor del taladro y comienza a desarrollarse un anillo plástico alrededor del mismo, según se ve en la figura 13.

La deducción del valor de es inmediata a partir de las ecuaciones (56).

(57)

Fase plástica: El comienzo de la plastificación corresponde a la presión de fluencia cuyo valor teórico es:

(Criterio de Tresca) (58)

Para

Donde es la presión lateral inicial del sueloLa presión límite corresponde a una plastificación de

todo el volumen de suelo alrededor de la sonda, en el taladro:

(59)

Valor teórico que expresa que depende a la vez de los valores G, y por este motivo no se puede obtener directamente de este ensayo.

C) Deducción de la curva de resistencia al corte sin drenaje a partir del ensayo presiométrico: Haciendo la hipótesis de deformación plana en la dirección ( ), y considerando la simetría de revolución del problema, se puede obtener la expresión de la variación de un volumen elemental de suelo en función de las deformaciones:

(60)

: Desplazamiento radial.: Radio del punto considerado.

Estas variables representan las deformaciones radiales y tangenciales cuando éstas son “pequeñas”. Se puede establecer la expresión de la variación de volumen en función de estas variables, y sin embargo no hacer ninguna hipótesis sobre el orden de magnitud de las deformaciones, tal y como se verá a

continuación.

De la figura 13 se deduce inmediatamente:

(61)

El volumen inicial vale:

(62)

El volumen final vale:

(63)

La relación de ambos volúmenes es inmediata:

(64)

Al ser un ensayo si drenaje, es válido suponer que no hay variación de volumen, entonces V/V0 = 1, deduciéndose en este caso la expresión de en función de :

(65)

Con la misma hipótesis que las adoptadas antes y a partir de la ecuación de equilibrio, según la dirección , se deducen la relación entre las variables :

1. Deformación plana en dirección y simetría de revolución (ecuación de equilibrio en polares):

(66)

2. Incomprensibilidad, al ser un ensayo sin drenaje:

(67)

Los valores de y se obtienen inmediatamente:

(68)

De donde el valor de resulta:

(69)

Por otra parte, se obtiene:

(70)

Sustituyendo este valor en la ecuación (69) se obtiene:

(71)

De lo anterior se puede deducir, aceptando la hipótesis de pequeñas deformaciones, la ley de resistencia al corte , Suponiendo que es idéntica para todos los anillos del suelo, a partir

de la curva presiométrica ( ), siendo el radio del presiométrico y el desplazamiento en el borde del taladro:

(72)

D) Presión límite en el ensayo presiométrico: Las tensiones principales iniciales horizontales en el suelo, en el ensayo presiométrico, son y . Considerando durante la fase elástica del ensayo, se puede establecer con ayuda de los círculos de Mohr la expresión de la presión de fluencia . Esta presión determina la aparición del estado plástico de deformación, en función de la cohesión sin drenaje , en el caso de los suelos cohesivos a corto plazo, o en función de los parámetros en el caso de suelos cohesivos a largo plazo.

Corto plazo, sin drenaje (criterio de Tresca):

(73)

Largo plazo, con drenaje (criterio e Mohr - Coulomb):

(74)

En elasticidad se cumple la ecuación general siguiente:

(75)

A partir de la ecuación anterior se pueden deducir los valores correspondientes a la deformación de fluencia , que es la dilatación circunferencial en el borde del taladro de radio .

Corto plazo, sin drenaje:

(76)

Largo plazo, con drenaje:

(77)

Finalmente, sabiendo que y que se cumple la ecuación (69 para un suelo incompresible ( en pequeñas deformaciones), se establece sin dificultad el valor de la presión límite en el borde del taladro en función de . Esto se hace a partir de la ecuación de equilibrio según la dirección radial, por integración entre el borde y un punto infinitamente alejado en el que el suelo soporta el valor de la presión límite :

(78)

También se obtiene de forma inmediata el valor de la presión límite en función de . E. para comportamiento a corto plazo o para comportamiento a largo plazo.

En fase plástica se conoce el valor . A partir de los criterios de rotura anteriores, de donde:

Corto plazo, sin drenaje:

(79)

Largo plazo, con drenaje:

(80)

E) Clasificación de los presiómetros de Ménard: Hay diferentes tipos de presiómetros de Ménard que se diferencian por la concepción Tecnológica del CPV y la sonda. Las sondas pueden agruparse en dos tipos principales:

Sonda BX: Diámetro = 5.8 cm.Longitud célula medida = 20.5 cm.Longitud total parte activa de la sonda = 42.5 cm.

Sonda AX: Diámetro = 4.4 cm.Longitud célula medida = 36 cm.Longitud total parte activa de la sonda = 66.5 cm.

F) Interpretación de resultados: Los dos parámetros medidos se representan en un gráfico, que recibe el nombre de perfil

presiométrico, repitiéndose el ensayo cada metro de profundidad.

PROFUNDIDAD TIPO DE SUELO

EM Pf P1

12

Limo

Arena

34

El ensayo presiométrico se hace realizando dos operaciones sucesivas, que influyen mucho en los valores anteriores:

1. Colocación de la sonda en un taladro, operación que condiciona la calidad del ensayo de expansión por la posible alteración de las paredes del mismo. La característica más sensible es el valor del módulo presiométrico , que en suelos blandos puede verse reducido a la mitad. Si las paredes del sondeo son inestables (gravas, arenas húmedas) la sonda se introduce dentro de un tubo.

2. El ensayo de expansión propiamente dicho, para el que el LCPC (1982) ha redactado un modelo operativo con las reglas que hay que respetar para un ensayo correcto.

Los aparatos presiométricos miden presiones entre 0 y 20 Kp/cm2, pudiendo llegar a 100 Kp/cm2 en el caso de rocas. Esto distingue el ensayo presiométrico de los demás ensayos in situ, ya que se realiza en suelos de todo tipo y rocas. Las profundidades habituales oscilan entre 20 y 30 metros.

Interpretación cualitativa: No es posible determinar el tipo de suelo sólo con la curva presiométrica. Gracias al sondeo, previo al ensayo de expansión, se pueden obtener datos sobre si los suelos son granulares o cohesivos, permeables o impermeables, etc.Conocido el tipo de suelo, se puede clasificar de forma más precisa a partir de cualquiera de los dos parámetros que se miden en el ensayo, es decir, módulo presiométrico y presión límite . Si el material ensayado es tan duro que no se alcanza

, debe utilizarse entonces :Una campaña de ensayos presiométricos es más lenta y cara que una campaña de ensayos de penetración, pero da más datos sobre la naturaleza y características del suelo.

TIPO DE SUELO

(Kp/cm2)

CONSISTENCIA

COMPACIDAD

CALIDAD PARA CIMENTAR

ARCILLA 0 a 0.750.75 a 1.5

Muy blandaBlanda

No apto para cimentar

1.5 a 3.53.5 a 8

ConsistenteRígida

Cimentaciones poco cargadas

8 a 16 Muy rígida Carga media> 16 Dura Apto

ARENA 0 a 2 Muy suelta No apto2 a 5 Suelta Carga pequeña

5 a 1515 a 25

Compacta Densa

Carga media

> 25 Muy densa Apto

Interpretación cuantitativa: La interpretación cuantitativa de un ensayo presiométrico supone que éste se ha realizado respetando las reglas de ejecución y se basa en la utilización de los valores de la presión límite y del módulo presiométrico para determinar algunas características de los suelos de cimentación.

1. Resistencia al corte del suelo: Deduce a partir de la presión límite . Las teorías que intentan obtener el ángulo de rozamiento interno del suelo están en desuso y no se pueden aplicar al ensayo clásico, por lo que el presiómetro no permite obtenerlo. La cohesión sin drenaje de suelos cohesivos se puede deducir de la fórmula empírica propuesta por Ménard (1965):

(81)

Donde es la tensión horizontal de las tierras en reposo a nivel del ensayo.

2. Capacidad portante de una cimentación: Las reglas de uso fueron propuestas por Ménard (1965) y se han verificado en un considerable número de obras. La fórmula básica para calcular la tensión límite de rotura bajo una cimentación es:

(82)

: Tensión vertical de las tierras al nivel de la base de la cimentación.

: Coeficiente empírico, denominado coeficiente de balasto, obtenido por comparación con casos de carga en obras reales, y que depende de:

Tipo de suelo: K (arcillas) < K (arenas)Tipo y dimensiones de la cimentación:

K (pilote hincado) > K (pilote perforado)K (pilotes) > K (zapatas)K (zapatas cuadradas) > K (zapatas corridas)

Empotramiento de la cimentación en el terreno:K mínimo para zapata en superficie.K aumenta linealmente con la profundidad hasta

una profundidad crítica.

VALORES DEL COEFICIENTE EMPÍRICO DE BALASTO KTIPO DE SUELO ZAPATA

CUADRADAPILOTES

D/B = D/B = 1 HINCADO PERFORAD

0.5 OArcillaLimoArena y grava suelta a compacidad mediaArena y grava compactas

1.351.35

1.5

1.8

1.61.6

1.8

2.5

23.6

5.8

9

1.83.2

5.2

7

El valor de la tensión admisible se obtiene con un coeficiente de seguridad 3 sobre el valor calculado:

(83)

La resistencia lateral unitaria de los pilotes se obtiene directamente a partir de la presión límite , utilizando un coeficiente empírico . El valor admisible se obtiene con un coeficiente de seguridad 2 sobre :

(84)

Hay ábacos para los coeficientes en todo tipo de suelos:

3.

Asiento de cimentaciones: Ménard (1965) propuso un método cuya hipótesis básica es que bajo la zapata hay dos zonas de tensión cualitativamente diferentes: Zona 1: El campo tensional es de tipo esférico y el módulo

a considerar es el edométrico . Zona II: El campo tensional es de tipo desviador y el

módulo a considerar es presiométrico .

Según Ménard (1965), estos dos módulos están ligados empíricamente por un coeficiente , en función del tipo de suelo y que interviene en la fórmula que da el asiento :

(85)

: Coeficientes de geometría de la zapata.

: Tensión permanente bajo la zapata.R: Radio de la zapata (R = B/2).

Se obtienen resultados próximos a los reales en la mayor parte de los casos, excepto en cimentaciones muy anchas (terraplenes de carretera, losas de cimentación grandes, etc.) que apoyan sobre una capa de suelo blando de poco espesor. En estos casos es mejor el ensayo edométrico.

TURBAS ARCILLAS LIMOS ARENAS

4. Otros problemas abordables con el presiómetro: el ensayo presiométrico permite resolver otros problemas, tales como:-- Tirantes de anclaje.-- Zapatas con carga excéntrica.-- Pilotes solicitados lateralmente.

Un pilote enterrado en un suelo homogéneo y sometido en cabeza a una fuerza horizontal H se deforma y desplaza lateralmente en el terreno un valor , variable con la profundidad . En todo punto del pilote, la presión lateral sobre el fuste sigue una ley como la de la figura 18. Se demuestra experimentalmente que esta curva se puede deducir directamente de la curva presiométrica ( ).

4.2.MOLINETES:A) Fundamento del ensayo: El aparato consta de una barra en

cuyo extremo hay dos paletas verticales perpendiculares y de igual ancho. El conjunto se hinca en el suelo mediante un gato hidráulico, hasta el nivel donde se realiza la medida. Se aplica entonces un momento de torsión M, con lo que aparece en el suelo un estado de corte parecido al de la caja de Casagrande.

B) Parámetros medidos: El aparato aparece en Suecia, trabajos de Carlson (1948), e Inglaterra, tras estudios comparativos con ensayos de laboratorio de Cadling – Odenstad (1950) y Skempton (1948) y permite determinar la cohesión sin drenaje de suelos blandos puramente cohesivos (arcillas), inferior a 1 Kp/cm2, en un intervalo 0.4 Kp/cm2 0.5 Kp/cm2. Permite además obtener su variación con la profundidad, o lo que es igual, con la presión de preconsolidación.

La curva esfuerzo – deformación tiene un máximo coincidente con la rotura, encontrándose el suelo sometido a la tensión de rotura en todo el cilindro de altura y radio .

Se puede suponer que sobre toda la superficie lateral, así como sobre ambas tapas, se ejerce una tensión de corte , lo que no es del todo cierto, pero permite relacionar el momento de torsión aplicado M con la tensión tangencial resistente del suelo .

(86)

Si la geometría de las paletas se escoge de forma que , se obtiene el siguiente valor de la cohesión sin drenaje:

(87)

Suponiendo una distribución triangular de la tensión tangencial, nula en el centro y en el borde a D/2 del centro:

(88)

En el caso de grandes deformaciones, la cohesión sin drenaje tiende a un valor asintótico que recibe el nombre de cohesión residual, pudiendo definir entonces la sensibilidad de una arcilla mediante el cociente , tal y como se ve en la figura 19.

C) Clasificación de los molinetes: El molinete sirve para medir la cohesión sin drenaje de los suelos puramente cohesivos, por lo que es de aplicación en la construcción de terraplenes importantes o presas de materiales sueltos sobre suelos compresibles, es decir, se adapta bien al estudio de la estabilidad a corto plazo. Permite

estudiar la anisotropía, en lo relativo a la resistencia al corte de los suelos cohesivos haciendo variar la relación (molinete AAS - LEMASSON).

Hay que respetar ciertas reglas para hacer el ensayo. Así, por ejemplo, la velocidad de giro ha de ser tal que el máximo de corte se obtenga a los tres minutos aproximadamente, ya que la medida de no es independiente de la velocidad citada. La geometría de las paletas está estandarizada, siendo fija la relación . Los diámetros más habituales suelen ser los de 60, 70 y 100 mm.

D) Interpretación de resultados: Si se utilizan molinetes esbeltos, con grande, se mide la resistencia al corte según planos verticales. Si se utilizan molinetes poco esbeltos, pequeña, se mide la resistencia al corte según planos horizontales.

(89)

Donde depende de la ley de reparto de las tensiones de corte supuesta en las bases del cilindro ( ). La ecuación anterior se puede escribir de la forma siguiente:

(90)

De esta forma, dos ensayos realizados con dos molinetes diferentes permiten obtener y , definiendo así la posible anisotropía del suelo en cuanto a la resistencia al corte.

5. ENSAYOS AUTOPERFORADOS: La colocación de los aparatos (puntas penetrométricas, presiómetro, molinete) provoca inevitablemente una alteración del suelo, desarrollándose sobrepresiones intersticiales y falseando los resultados. Para evitar este efecto hay que eliminar todo rechazo o descompresión del terreno.

5.1.TÉCNICA DE LA AUTOPERFORACIÓN: Consiste en introducir en el terreno, a velocidad controlada, un tubo delgado hueco terminado en una cuchilla cortante muy afilada. Mientras tanto, un aparato rotativo disgregador situado en su interior desmenuza el suelo y lo saca a la superficie, gracias a la circulación de agua a presión. Es una técnica relativamente reciente, Baguelin – Jezéquel – Le Mehaute (1979) y Frank (1984), y da lugar al molinete y al permeámetro autoperforados, en los que el propio aparato hace su perforación.

5.2.RESULTADOS Y POSIBILIDADES: En el presiómetro autoperforado la curva presiométrica se escribe de la forma:

(91)

: Radio del cilindro.: Presión radial aplicada en el borde.

De esta curva se deduce gráficamente la curva de resistencia al corte del suelo:

(92)

Como regla general, los parámetros medidos con el presiómetro autoperforado son muy superiores a los medidos con el presiómetro clásico y no se pueden introducir sin más en las fórmulas clásicas. Dos caminos de investigación están abiertos actualmente para soslayar este problema:

1. Establecer métodos empíricos (tipo Ménard).2. Métodos analíticos de deformación, introduciendo la curva de

resistencia l corte en cálculos mediante elementos finitos.

6. ENSAYOS DE CARGA: Los ensayos de carga han sido en otro tiempo el medio principal para determinar la capacidad portante de un terreno. Los ensayos de carga tienen estos inconvenientes:

1. los resultados de los ensayos de carga de pequeñas superficies sólo se pueden trasponer a estructuras reales de forma aproximada y en casos muy especiales. Debido a la pequeña superficie cargada, las presiones actúan hasta una profundidad pequeña, que llega a ser de 1 – 3 veces el diámetro de la superficie cargada, afectando sólo a esta zona.

2. En suelos cohesivos, la consolidación (asiento total) no se puede evaluar. El asiento dado por el ensayo es, pues, demasiado pequeño.

3. Al ser una superficie de carga pequeña, el suelo puede fluir lateralmente.

4. la carga de rotura del suelo viene determinada por la forma y tamaño de la superficie cargada, así como por la profundidad de la cimentación.

5. Los ensayos de carga son muy caros, mientras que los ensayos de laboratorio con muestras inalteradas, si éstas se pueden extraer, dan resultados fidedignos con un menor costo.

El empleo de un ensayo de carga para proyectar una estructura es aconsejable en los casos siguientes:

1. Cuando la cimentación se corresponde en forma y tamaño muy aproximadamente con la superficie cargada en el ensayo.

2. Cuando no se pueden tomar muestras inalteradas del terreno, como en el caso de rellenos o suelos granulares gruesos.

3. Cuando el terreno es homogéneo hasta una gran profundidad.

La carga y descarga se produce de forma escalonada y en algunos ensayos se realizan varios ciclos de carga y descarga. La carga

se puede conseguir mediante una pila de lastre, como por ejemplo viga de acero o bloques de piedra. Sin embargo, en estos casos el proceso de descarga y nueva carga resulta muy laborioso. Por ello se aplica la carga mediante gatos hidráulicos o de husillo, que actúan contra una carga de lastre o están anclados (pilotes de tracción o compresión). Es importante que los desplazamientos de la superficie cargada se puedan medir exactamente, la mayor parte de las veces con dos dispositivos de medida diferentes (instrumentos de nivelación y comparadores). Durante el ensayo de carga y en el proceso de carga y descarga deben evitarse las vibraciones de cualquier tipo.

6.1.ENSAYOS DE PLACA DE CARGA: Estos ensayos se hacen en carreteras y aeropuertos, para determinar dos coeficientes importantes del terreno de la base y de la capa de rodadura de firmes flexibles:

-- Módulo de deformación vertical: .-- Coeficiente de balasto: .

Debido a las características reológicas de las capas asfálticas, el ensayo se limita al terreno de explanación y a las capas granulares del firme, con este procedimiento operativo: -- Como reacción se utiliza un vehículo pesado de la propia obra

(camión lastrado).-- La superficie de carga en el firme es aproximadamente la

superficie del contacto del vehículo.-- Para el ensayo de capas más profundas esta superficie ha de

aumentarse proporcionalmente a la transmisión en profundidad de las cargas de rueda:

30 cm para pavimentos y base. 30 – 60 cm para capas antihielo y subbases. 60 – 75 cm para explanadas.

-- Para evitar la flexión de la placa por exceso de diámetro se utilizan otras de diámetro menor y, por tanto, más rígidas.

-- La superficie a ensayar debe aplanarse, cubriéndola con escayola para apoyar mejor la placa. Una vez fraguada la escayola y colocados los equipos de carga y medida, se aplica escalonadamente la carga a la placa horizontal, esperando en cada escalón hasta la estabilización de los asientos.

-- Tras el último escalón de carga se descarga la placa y se repite el ensayo por segunda vez. Para mantenerse en la zona de carga inicial, se omite en las repeticiones el último escalón de carga.

Los resultados del ensayo (carga - asiento) se registran y representan en forma de curva presión – asiento, determinando el módulo de deformación y el coeficiente de balasto.

El módulo de deformación se calcula a partir de los datos de la primera rama de carga, según la figura 22:

Asiento = 0.15 cm.Presión media bajo la placa = 5.6 Kp/cm2

Radio de la placa = 15 cm.

(93)

El coeficiente del balasto :

(94)

Los ensayos de placa de carga se utilizan también para obtener el módulo elástico E de aquellos suelos en los que no se pueden aplicar los métodos usuales a causa, por ejemplo, de sus elementos demasiado grandes (gravas).

(95)

También se puede calcular la resistencia al corte sin drenaje (cohesión sin drenaje) de los suelos cohesivos saturados a los

que se aplican cargas rápidas.Se supone que la superficie afectada por el ensayo es como

mínimo igual al triple del diámetro de la placa. Esta se carga hasta

PRESION (kp/cm2)

alcanzar la rotura y si no se produce rotura brusca, se toma como presión límite de rotura aquella para la que el asiento es igual a 1/10 del diámetro de la placa. La resistencia al corte sin drenaje será en este caso:

(96)

6.2.ENSAYOS DE CARGA PARA CIMENTACIONES SUPERFICIALES: Para obtener resultados fiables, la superficie cargada ha de ser superior a 50 * 50 cm y mejor 100 * 100 cm. La carga se aplica escalonadamente, de 3 a 4 escalones, y en el último escalón debe ser superior a la presión ejercida por la estructura proyectada. En suelos cohesivos, si no se puede esperar el final de los asientos en cada escalón de carga, debe aumentarse la carga a intervalos de tiempos iguales y, si es posible, esperar el final de los asientos en el último escalón de carga. Sólo en casos especiales es preciso determinar la carga de rotura, o sea, la carga con la que se produce el hundimiento e la placa.

Los parámetros medidos en el ensayo son tiempo, carga y asiento y se representan en un diagrama en forma de líneas de carga – asiento, tiempo – asiento y carga – asiento.

El asiento de la placa es elástico (proporcional a la carga) hasta el límite de proporcionalidad elástico. A partir de ahí el asiento aumenta más rápido que la carga aplicada, presentando la línea una curvatura cada vez más fuerte debido al desplazamiento de la cuña de terreno bajo la placa. Al aumentar más la carga, la placa se hunde en el terreno por rotura del mismo ( 5 Kp/cm2) y si se descarga después del límite elástico, hay un asiento remanente

o de tipo plástico.

7. ENSAYOS DE PERMEABILIDAD IN SITU: Los ensayos de bombeo en pozos dan buenos resultados al afectar a grandes masas de suelo, dando valores medios que definen el comportamiento de conjunto de un macizo.

Son ensayos costosos, largos y en ocasiones poco adecuados, al no informar sobre la distribución de permeabilidad en el terreno o si se quiere conocer la permeabilidad a gran profundidad, como en el caso

de las cerradas de presas. A partir de 6 metros de profundidad ya resulta imposible bombear agua desde la superficie, por lo que se recurre a bajar la bomba dentro del sondeo, aunque esta solución es poco utilizada. Se recurre entonces a sondeos y a hacer ensayos de permeabilidad en los taladros, que pueden ser de tipo abierto o cerrado, denominados Lefranc y Lugeon.

7.1 ENSAYO LEFRANC CON CARGA CONSTANTE: Durante la ejecución del sondeo se levanta la tubería de entibación, que es impermeable, a una altura y se llena de agua, que fluye hacia el interior del sondeo. Se mantiene éste lleno hasta comprobar que el régimen de filtración es estacionario. La permeabilidad se calcula con la fórmula:

(97)

Donde es el denominado coeficiente de toma, que depende de la cavidad desde la que se inyecta el terreno. En principio es cilíndrica, de diámetro , el del sondeo, y altura . Este coeficiente tiene dimensiones [ ] y se suele utilizar el correspondiente al elipsoide, de eje menor y distancia focal , cuya expresión analítica es:

(98)

Simplificación posible debido a que suele ser grande:

Estas fórmulas para suponen que la cavidad inyectada está bajo la capa freática a gran profundidad, de modo que las líneas de corriente no se ven afectadas por la superficie libre (o por una capa impermeable). En caso de existir a una distancia una superficie libre (impermeable), hay que sumar a un coeficiente corrector, que es igual a:

(99)

7.2 ENSAYO LEFRANC CON CARGA VARIABLE: Si debido a la hidrofracturación no es posible llenar de agua el tubo hasta arriba, es imposible realizar un ensayo de carga constante, recurriendo a la carga variable, análogo al permeámetro de carga variable en laboratorio. Se adata muy bien a los suelos poco permeables y se suele realizar con mucha frecuencia como una rutina más en un sondeo. Para ello se mide la altura de agua al final de la jornada y al comienzo de la siguiente, interpretando los resultados obtenidos a partir de una serie de fórmulas.

7.3 ENSAYO LUGEON: El ensayo Lugeon se hace en suelos rocosos y con agua a gran presión, del orden de 10 Kp/cm2. Fue propuesto por Lugeon (1933) para clasificar cualitativamente los macizos rocosos para su posible empleo como cerrada de presas:

1. Ha de tratarse de un terreno de tipo rocoso, pues si no, el obturador no cierra.

2. El obturador permite aplicar una presión superior a la de la altura del sondeo.

El sistema operativo del ensayo y su interpretación se pueden resumir así:

1. El ensayo normalizado se hace en un taladro de 46 a 76 mm de diámetro, y en una longitud de 2 m o más. Se da una presión de 10 pKp/cm2 durante 10 minutos y por escalones, elevando poco a poco la presión, y luego disminuyéndola.

2. Si al aumentar la presión aumenta la permeabilidad, indica hidrofisuración y caso contrario colmatación. Ello lleva a los diagramas Lugeon.

3. Se define el Lugeon [L] como la pérdida de un litro por minuto y metro lineal, en las condiciones del ensayo. Una pérdida de 1 L indica un terreno apto para un embalse, de 1 L a 10 L corregible por inyección y mayor de 10 L, inaceptable.