Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

45
MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS I MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS Módulo I.- Bases de geología y geotecnia para el proyecto y la construcción de túneles OBTENCIÓN DE PARÁMETROS DE CARACTERIZACIÓN DEL TERRENO A PARTIR DE ENSAYOS DE CAMPO Nombre del Profesor: Jesús González Galindo Titulación: Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Puesto que ostenta en universidad y/o en empresa: Profesor Titular Interino

Transcript of Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

Page 1: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

I

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

Módulo I.- Bases de geología y geotecnia para el proyecto

y la construcción de túneles

OBTENCIÓN DE PARÁMETROS DE CARACTERIZACIÓN DEL

TERRENO A PARTIR DE ENSAYOS DE CAMPO

Nombre del Profesor: Jesús González Galindo

Titulación: Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Puesto que ostenta en universidad y/o en empresa: Profesor Titular Interino

Page 2: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

II

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 1

2. ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT).............................................. 2

3. ENSAYO DE PENETRACIÓN DINÁMICA ....................................................... 11

4. ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁTICA (CPTU)........................................... 14

5. ENSAYO PRESIÓMETRICO ............................................................................... 21

6. DETERMINACIÓN IN SITU DE LA PERMEABILIDAD ................................. 30

7. ENSAYO DE CORTE IN SITU ............................................................................ 35

8. ENSAYOS DE PLACA DE CARGA.................................................................... 36

9. ENSAYO DE GATO PLANO ............................................................................... 38

10. COMENTARIOS FINALES.................................................................................. 39

Page 3: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

III

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura nº 1.- Relación entre N SPT y la densidad relativa .............................................. 8

Figura nº 2.- Estimación del ángulo de rozamiento a partir del ensayo SPT según De

Mello............................................................................................................................... 10

Figura nº 3.- Relación entre el módulo de deformación E y el índice NSPT .................. 10

Figura nº 4.- Clasificación del suelo a partir de los resultados del CPTU ..................... 17

Figura nº 5.- Gráfico para la determinación de ch a partir de t50 y un índice de rigidez

(Ir) entre 50 y 500.......................................................................................................... 18

Figura nº 6.- Ángulo de rozamiento en arenas en función de qc y la tensión vertical

efectiva ........................................................................................................................... 19

Figura nº 7.- Esquema del resultado de un ensayo presiométrico ................................. 24

Figura nº 8.- Esquema del ensayo de placa de carga..................................................... 37

Figura nº 9.- Esquema del ensayo de gato plano........................................................... 39

Page 4: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

IV

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla I.- Corrección de N por la longitud del varillaje .................................................... 5

Tabla II.- Corrección de N por el diámetro del sondeo .................................................... 6

Tabla III.- Compacidad de las arenas en función del NSPT............................................... 7

Tabla IV.- Clasificación de Terzaghi y Peck (1948) modificada por Skempton (1986).. 8

Tabla V.- DR y (Meyerhof, 1956)................................................................................. 9

Tabla VI.- Constantes para la estimación del módulo de deformación confinado......... 11

Tabla VII.- Bases para la interpretación estratigráfica del ensayo CPTU...................... 16

Tabla VIII.- Valor del parámetro para obtener el módulo de deformación ................ 21

Tabla IX.- Coeficiente de relación entre el módulo edométrico y el módulo

presiométrico .................................................................................................................. 27

Tabla X.- Coeficiente función del tipo de suelo y de la compactación ...................... 28

Tabla XI.- Relación entre la presión límite y el ensayo SPT ......................................... 30

Tabla XII.- Clasificación de macizos rocosos en función de la permeabilidad ............. 35

Tabla XIII.- Ensayos in situ de resistencia ..................................................................... 40

Tabla XIV.- Ensayos de deformabilidad ........................................................................ 40

Page 5: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

1

1. INTRODUCCIÓN

En este tema se quiere abordar el estudio de algunos de los ensayos in situ que suelen

realizarse en las obras de túneles con la finalidad de caracterizar el terreno.

En general, se puede considerar que los ensayos in situ son más representativos que los

ensayos de laboratorio, ya que éstos últimos presentan los siguientes inconvenientes:

- La alteración de las muestras durante el proceso de extracción, transporte y ma-

nipulación. Este hecho es especialmente significativo en arcillas.

- En ocasiones la muestra ensayad no es representativa de una gran masa de suelo.

(En cambio, en los ensayos in situ, el volumen de material ensayado suele ser

mayor).

- El cambio tensional de la muestra puede modificar el comportamiento de la

muestra. Este fenómeno es especialmente importante en materiales no elásticos

(en cambio, en los ensayos in situ las condiciones del terreno son las naturales).

En todo caso, la escala de los ensayos in situ no puede ser representativo de todo el vo-

lumen de suelo, por lo que debe realizarse una interpretación adecuada de los resulta-

dos.

Algunos de estos ensayos ya han sido descritos en temas anteriores del Master (otros

serán explicado en la clase del miércoles que impartirá Luis Sopeña). Aquí se vuelven a

describir sucintamente. El objeto de esta nueva clase no es tanto describir los ensayos

sino dar algunas ideas sobre cómo analizar los datos obtenidos en los ensayos.

El número de ensayos a analizar es inabordable en dos horas de clase. Por ese motivo,

se han seleccionado aquellos que se han considerado más significativos y que son em-

pleados con mayor frecuencia en las obras subterráneas.

Page 6: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

2

2. ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT)

Es un ensayo pensado para conocer la compacidad/resistencia a la penetración de los

suelos granulares. Sin embargo, es un ensayo que se emplea con mucha profusión en

todo tipo de suelos o incluso en roca alterada, ya que es habitual que se haga de manera

sistemática durante la ejecución de los sondeos independientemente de la naturaleza del

terreno. Sin embargo, la reserva con la que hay que interpretar los resultados es tanto

mayor cuanto más importante sea la fracción limo-arcillosa o de grava del suelo.

Descripción del ensayo

El ensayo se realiza dentro de un sondeo cuyas paredes son estables o están soportadas

por un revestimiento adecuado. Es habitual llevar a cabo ensayos SPT cada 2-5 m, de-

pendiendo del tipo de terreno y de su heterogeneidad.

Una vez alcanzada la profundidad donde ha de realizarse el ensayo y estando el fondo

limpio de los detritus del sondeo, se procede a hincar, en el fondo, una tubería hueca

con la punta biselada (cuchara SPT) de diámetro exterior igual a 51 mm (2") y de diá-

metro interior igual a 35 mm (11/8"). La hinca se realiza mediante golpes de maza en la

cabeza del varillaje. La maza es de 63,5 kg y se deja caer libremente desde 76 cm de

altura sobre la cabeza del varillaje.

Para depósitos de gravas, y para evitar la rotura de la cuchara, se utilizan puntazas cie-

gas de igual diámetro exterior.

Durante la hinca se cuentan los números de golpes necesarios para avanzar cuatro tra-

mos de 15 cm. La hinca se detiene cuando el avance total es de 60 cm. El número de

golpes necesario para avanzar la hinca los 30 cm centrales es el índice N del SPT (la

lectura del primer tramo no se tiene en cuenta por la posible alteración del suelo o de-

rrumbes de las paredes del sondeo y la del último tramo por una posible sobrecompac-

tación). Si la resistencia del terreno es muy alta y no se consigue avanzar 15 cm con 100

golpes el ensayo se detiene y se considera rechazo). Al extraer la cuchara, una vez reali-

zado el ensayo, se puede obtener una muestra, alterada por la hinca, del terreno atrave-

sado.

Page 7: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

3

Cuando los ensayos se realizan en suelos con partículas tipo grava, el número de golpes

obtenido pueda estar “falseado” y ser mayor que el real debido a que la cuchara del SPT

no es capaz de desplazar la partícula tipo grava. En otras ocasiones, cuando los ensayos

se realizan bajo el nivel del agua, se puede producir un sifonamiento del fondo del son-

deo, registrándose golpeos inferiores a los reales. En estos casos de sondeos bajo el

agua, es necesario mantener una columna de agua en el interior del sondeo para evitar el

sifonamiento del fondo.

Para poder interpretar correctamente el ensayo es necesario tener una serie de precau-

ciones durante la ejecución del ensayo. Es necesario asegurar que el fondo del sondeo

esté limpio de posibles desprendimientos. Para ello en ocasiones será necesario entubar

el sondeo o emplear lodos bentoníticos para su ejecución.

Transformación de los datos in situ

Para analizar correctamente el resultado del análisis del ensayo es necesario llevar a

cabo algunas correcciones del resultado obtenido en campo. Es decir, habría que tomar

del ensayo realizado el número de golpes necesarios para avanzar los 30 cm centrales y

aplicarles las siguientes correcciones.

* Corrección debida a la energía aplicada

El estudio dinámico de la hinca de la cuchara del SPT permite evaluar la energía que se

transmite a través del varillaje. Esa energía se puede medir durante la realización de los

ensayos con equipos de auscultación especiales (acelerómetros y defórmetros). En los

ensayos SPT realizados con normalidad, esa energía es aproximadamente igual al 60%

de la energía potencial teórica de la maza. En ocasiones es posible conocer esa energía

(tarado de equipos) y puede existir información fehaciente relativa al porcentaje de

energía transmitida “”. Cuando eso sea así, el valor del índice N (SPT) puede trans-

formarse al valor que correspondería a una hinca normalizada del 60% de energía me-

diante la ecuación siguiente:

60

NN SPT60

Page 8: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

4

donde es la fracción de energía correspondiente expresada en tanto por ciento. A falta

de información específica se suele suponer que = 60%.

* Corrección debida a la presión de confinamiento

El resultado del ensayo depende de la profundidad a la cual se realiza, ya que está rela-

cionado con la presión de confinamiento existente. No sería lo mismo un valor del en-

sayo SPT de 10 a 1 m de profundidad que a 10 m. Por esta razón se suelen normalizar

los resultados tomando como presión de referencia 1 kp/cm2.

La corrección del resultado puede expresar de la siguiente manera:

60N60corregido NCN

donde CN es el parámetro de corrección función de la tensión vertical efectiva.

Liao y Whitman proponen la expresión siguiente:

'vo

N

1C

expresando la tensión vertical en kp/cm2

Entre otros autores, Skempton llevó a cabo una propuesta en función de la granulome-

tría del terreno.

Arenas finas y medias, sueltas '0v

N 0,1

2C

Arenas gruesas, densas '0v

N 0,1

2C

Arenas finas sobreconsolidadas '0v

N7,0

7,1C

Como se puede ver el valor de CN es inversamente proporcional a la tensión vertical

efectiva existente en el punto del ensayo.

Page 9: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

5

* Corrección por nivel freático

En materiales tipo gravas o arenas gruesas no habría que llevar a cabo ninguna correc-

ción. En cambio en arenas finas o limos si el resultado del NSPT > 15 se recomienda re-

ducir el número de golpes a considerar.

2

15N15Ncorregido

De esta se tiene en cuenta el descenso de la resistencia al corte bajo el efecto de las pre-

siones intersticiales en exceso que se generan en el momento del golpeo.

* Corrección por la longitud del varillaje

La longitud del varillaje influye en que el peso aplicado aumenta al incrementar la lon-

gitud del varillaje suplementario. Sería de esperar que el número de golpes aumentara

con la profundidad si el terreno fuera homogéneo. Algunos autores consideran que esta

corrección es poco importante.

Uto y Fujuki proponen la siguiente expresión en los casos en los que se superan los 20

m de profundidad.

l003,006,1'NNcorregido

siendo N’ el valor obtenido in situ y l la longitud del varillaje.

Entre otras referencias, Skempton propone la siguiente Tabla I.

Tabla I.- Corrección de N por la longitud del varillaje

Longitud del varillaje Factor de corrección

> 10 m 1,00

6 a 10 m 0,95

4 a 6 m 0,85

3 a 4 m 0,75

Page 10: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

6

* Corrección por el diámetro del sondeo

Skempton también propuso una corrección por el diámetro del sondeo. En la Tabla II

adjunta se muestran los valores propuestos. La mayoría de los sondeos se perforan con

76 mm (3’’) por lo que no suele ser necesario aplicar esta corrección.

Tabla II.- Corrección de N por el diámetro del sondeo

Diámetro del sondeo Factor de corrección

65-115 mm 1,00

150 mm 1,05

200 mm 1,15

Estas correcciones son habitualmente empleadas para arenas. Para suelos cohesivos la

influencia del diámetro suele ser despreciable.

Información deducida a partir del ensayo SPT

El ensayo SPT es un ensayo pensado para conocer la compacidad del terreno. Pero de-

bido a su gran difusión muchos autores han obtenido relaciones con otros parámetros

geotécnicos. Para aplicar estas correlaciones es necesario conocer para qué tipo de ma-

terial han sido deducidas las expresiones propuestas.

* Compacidad

El índice SPT está relacionado con la compacidad de las arenas. Terzaghi y Peck1

(1948) propusieron la siguiente relación entre el resultado del ensayo y la compacidad.

Ver Tabla III.

Como se ha comentado con anterioridad este es un ensayo pensado para arenas. Sin

embargo, en numerosas ocasiones se emplean para suelos cohesivos. Y algunos autores

indican también la relación entre el N (SPT) y la compacidad (normalmente, en suelos

1 Soil Mechanics in Engineering Practice. John Willey & Sons

Page 11: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

7

cohesivos se suele indicar la mitad de golpes que en las arenas para una misma compa-

cidad). En todo caso debe emplearse con precaución el ensayo SPT en suelos cohesivos.

Tabla III.- Compacidad de las arenas en función del NSPT

N (SPT) COMPACIDAD

0 - 4 Muy Floja

5 - 10 Floja

11 - 30 Media

31 - 50 Densa

Más de 50 Muy Densa

En ocasiones interesa concretar con números el concepto de compacidad, para ello es

recomendable utilizar el concepto de densidad relativa, Dr. A continuación se indica

cómo obtenerlo.

* Densidad relativa

La relación que existe entre la densidad relativa, Dr, y el índice, N, del SPT es diferente

según sea la presión efectiva vertical al nivel del ensayo. De entre las correlaciones

existentes y a falta de mejor información se considera admisible la de Gibbs & Holtz2

(1957), indicada en la Figura nº 1.

2 Gibbs, H. J.; Holtz, N. G. (1957). «Research on Determining the Density of Sands by Spoon Penetration Testing».

Proc. 4 th. ICSMFE. Londres.

Page 12: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

8

Figura nº 1.- Relación entre N SPT y la densidad relativa

(Figura tomada de la ROM 0.5-05)

En la siguiente Tabla IV se relaciona, en función de los resultados del SPT, la compaci-

dad con la densidad relativa.

Tabla IV.- Clasificación de Terzaghi y Peck (1948) modificada por Skempton

(1986)

N60 DR % Compacidad

0 – 3 0- 15 Muy suelta

3 – 8 15 -35 Suelta

8- 25 35 -65 Medianamente densa

25 – 42 65 -85 Densa

42 - 58 85 -100 Muy densa

Page 13: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

9

* Ángulo de rozamiento

Existe una correlación evidente entre el ángulo de rozamiento de los suelos granulares y

el índice N (SPT). La de mayor difusión probablemente sea la definida por Schmert-

mann3 que puede aproximarse con la siguiente expresión analítica:

tg =

34,0

a

ov

p

'3,202,12

N

donde:

= ángulo de rozamiento.

N = índice del ensayo SPT.

′vo = presión vertical efectiva al nivel del ensayo.

pa = presión de referencia (1 bar = 100 kPa).

Otra expresión que se podría utilizar sería la siguiente de Morumachi (1974):

N5,320

Pero existen otras correlaciones como las que se indican a continuación en la Tabla V.

Tabla V.- DR y (Meyerhof, 1956)

> 5% arena fina y limo = 25 + 0,15 DR %

< 5% arena fina y limo = 30 + 0,15 DR %

Gravilla uniforme ’ = 38,0 + 0,08 DR

Arena gruesa ’ = 34,5 + 0,100 DR

Arena media ’ = 31,5 + 0,115 DR

Arena fina ’ = 28,0 + 0,140 DR

Por último en la Figura nº 2, se muestra la estimación del ángulo de rozamiento pro-

puesto por De Mello (1971).

3 Schmertmann, J.H. (1975). «Measurement of In-Situ Shear Strength». Proc. ASCE Specialty Conference on In-Situ

Measurement of Soil Properties. Raleigh. USA.

Page 14: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

10

Figura nº 2.- Estimación del ángulo de rozamiento a partir del ensayo SPT según

De Mello

(Figura tomada del libro Ingeniería Geológica)

* Deformabilidad

La deformabilidad de las arenas puede estimarse según la correlación de D'Appolonia4

(1970) que se indica también en la Figura nº 3.

Figura nº 3.- Relación entre el módulo de deformación E y el índice NSPT

(Figura tomada de la ROM 0.5-05)

4 Peck and Bazaraa (1969). «Discussion on Settlement of Spread Footings on Sand» Journal of Geotechnical Engineer-

ing. ASCE, Vol. 95, Nº SM3, pp 905-909

Page 15: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

11

Como se pude ver existiría una relación lineal entre el módulo de deformación confina-

do y el índice NSPT. Algunos autores la han cuantificado como se indica a continuación.

Es = S1 NSPT + S2

Los valores de las constantes S1 y S2 pueden consultarse en la siguiente tabla:

Tabla VI.- Constantes para la estimación del módulo de deformación confinado

S1 (MPa)

S2 (MPa)

Observaciones Autores

0,756 18,75 Arenas y gravas

normalmente consolidadas D’Appolonia et al. 1970

1,043 36,79 Arenas sobreconsolidadas D’Appolonia et al. 1970

0,517 7,46 Schultze y Menzenbach, 1961

0,478 7,17 Arenas saturadas Webb, 1969

0,316 1,58 Arenas y arcillas Webb, 1969

3. ENSAYO DE PENETRACIÓN DINÁMICA

Como complemento al estudio de la compacidad de un suelo mediante SPT se encuen-

tran los ensayos de penetración dinámica. Son ensayos sencillos, rápidos y económicos

que permiten estimar de manera continúa la resistencia a la penetración con la profun-

didad.

En general los ensayos de penetración dinámica consisten en hincar una puntaza metáli-

ca en el terreno mediante golpeo producido por una maza que cae libremente.

El ensayo penetrométrico más difundido en España es el conocido con el nombre de

Borro (NLT 261). Este equipo consiste en un varillaje metálico macizo de 32 mm de

diámetro exterior que hinca una puntaza metálica. La hinca se realiza con una maza de

65 kg (igual peso que la del SPT) que cae libremente desde 50 cm de altura. Durante la

hinca se van contabilizando los números de golpes (“NB”) para hacer avanzar la hinca

20 cm. El resultado se suele representar en forma de diagrama de ese número de golpes

“NB” obtenido en cada profundidad. El rechazo se produce cuando son necesarias dos

veces seguidas más de 85 golpes para penetrar 20 cm o 1 vez más de 100 golpes.

Page 16: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

12

No se debe emplear para profundidades importantes (30 m) para profundidades peque-

ñas el golpeo del SPT es mayor que el del Borros. Pero cuando la profundidad aumenta

el Borro sale mayor que el SPT. Aunque el tamaño de la puntaza es más amplio que el

diámetro del varillaje, y teóricamente el rozamiento entre éste y el terreno es pequeño.

Para profundidades superiores a 14-15 suele dar problemas por el rozamiento de la vari-

llas.

En España están normalizados los siguientes dos ensayos de penetración dinámica con-

tinua:

- DPSH. Norma UNE 103.801.

Ensayo de penetración dinámica superpesado.

La puntaza se introduce en el terreno debido a la caída libre de una maza de gol-

peo automático de 63,5 kg de peso y una altura de 76 cm, anotándose el numero

de golpes necesarios para introducirla 20 cm. En ensayo se finaliza cuando se

superan los 100 golpes en un tramo de 20 cm o cuando tres valores consecutivos

sean iguales o superiores a 75 golpes.

- DPH. Norma UNE 103.802. Ensayo de penetración dinámica pesado.

Se mide el golpeo necesario para profundizar 10 centímetros, alcanzándose el

rechazo cuando se superan los 100 golpes.

Se emplea una maza de 50 kg dejándola caer desde 50 cm. La sección de la pun-

ta cónica perpendicular al eje de penetración es de 15 centímetros cuadrados

(diámetro = 43'7 milímetros)

Los penetrómetros dinámicos tienen su mejor campo de aplicación en la determinación

de la profundidad de suelos blandos o de consistencia media que apoyan sobre forma-

ciones mucho más resistentes donde la hinca se detiene. Por tanto, no sería de utilidad

en túneles construidos en rocas o suelos más firmes.

Page 17: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

13

Entre los distintos tipos de penetrómetros dinámicos continuos es posible establecer

correlaciones entre ellos en función de la energía aplicada en cada caso y del tipo de

puntaza empleada.

Si embargo, no es fácil obtener una relación "SPT-penetrómetro dinámico continuo". Y

esto se debe a que tanto el útil de penetración (cuchara frente a punta cónica), como la

forma de ejecución (fondo de sondeo frente a penetración con varillaje desde superfi-

cie), son radicalmente distintos.

Este tema está suficientemente tratado en la bibliografía relacionada, existiendo muy

pocas correlaciones que liguen los resultados de ambos tipos de penetrómetro. Entre

ellas, la más conocida es la de Dahlberg (1974), que relaciona golpeo de Borros con

SPT en arenas si el valor del NSPT es mayor que 12:

NSPT = 25 log (NB) - 15'16

Log (NB) = 0,035 NSPT + 0,668

En un terreno arcilloso medio a firme, Dapena et al. (2000) han encontrado el siguiente

ajuste:

NSPT = 13 log (NDPSH) - 2

que con la relación anteriormente planteada ente Borros y DPSH, puede escribirse co-

mo:

NSPT = 13 log (NB) - 1,13

Estas expresiones proporcionan valores muy similares entre el golpeo SPT y el Borros

para el intervalo entre 5 y 20 golpes, por lo que es muy común simplificar, aceptando

que:

NSPT = NB

En cualquier caso, hay que tener en cuenta que en la realización de una prueba de pene-

tración continua, parte de la energía proporcionada se consume en el rozamiento del

varillaje (pese a que la sección del cono es algo superior a la de la varilla), al contrario

que en un ensayo SPT. En general, a partir de los 6 a 10 metros de profundidad, el ro-

Page 18: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

14

zamiento por fuste de la varilla cobra importancia, por lo que el golpeo del penetróme-

tro dinámico empieza a ser claramente mayor que el correspondiente al SPT. Por eso

estas relaciones han de considerarse siempre con reservas. Se deberían buscar en cada

caso correlaciones propias de la zona donde se está realizando el estudio.

4. ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁTICA (CPTU)

El piezocono o CPTU consiste en un penetrómetro estático continuo en cuya punta se

añade un piezómetro. Así, durante la hinca del equipo en el terreno se puede tener un

registro continuo de resistencia por punta (qc) y por fuste (fs) y además el control de las

presiones intersticiales (u) generadas durante la hinca así como la evolución de su disi-

pación cuando la hinca se detiene. Estos son los tres datos que se obtienen de manera

directa del ensayo. También se podrían instalar sensores adicionales de temperatura,

inclinación...

Este tipo de penetrómetros es muy adecuado para el reconocimiento de suelos blandos,

fundamentalmente para determinar los parámetros resistentes y de consolidación. La

existencia de bolos, gravas, suelos cementados o roca produciría rechazo e incluso da-

ños en los equipos.

Al tener un registro continuo del terreno, los datos que se obtienen durante la hinca del

piezocono permiten la identificación de niveles de diferente permeabilidad aunque ten-

gan estos niveles pequeños espesores (incluso de algún centímetro). Este aspecto es de

especial interés cuando se trata de evaluar las condiciones de drenaje de los procesos de

consolidación.

No existe una normativa claramente establecida aunque sí existe una literatura técnica

abundante acerca de su interpretación.

Para interpretar los resultados medidos con el piezocono se suelen calcular, a cada pro-

fundidad, los siguientes parámetros auxiliares:

Page 19: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

15

a) Resistencia a la penetración adimensional, Qt, de acuerdo con la expresión si-

guiente:

Qt = v

vc

'

q

donde:

qc = resistencia unitaria al avance en la punta del cono en el punto estudiado.

v = presión vertical total natural (antes de hacer el ensayo) en el punto estu-

diado.

'v = presión vertical efectiva natural (antes de hacer el ensayo) en el punto es-

tudiado.

b) Incremento relativo de presión intersticial, Bt, definida por:

Bt = vc

oc

q

uu

donde:

uc = presión intersticial medida por el piezocono en el punto estudiado.

uo = presión intersticial preexistente, en el punto estudiado

qc, v = igual significado que en el caso anterior.

c) Fricción lateral relativa, Fr, calculada como sigue:

Fr = vc

s

q

f

donde fs es la fricción lateral medida por el piezocono en el nivel de interés y qc

y v tienen el mismo significado antes inducido.

Este ensayo permite reconocer el tipo de terreno ensayado. Las bases fundamentales

para la interpretación estratigráfica del ensayo se muestran en la Tabla VII. Como las

lecturas se registran cada unos pocos centímetros (típicamente suele ser cada 5 cm) es

posible disponer de una análisis muy detallado de la estratigrafía.

Page 20: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

16

Tabla VII.- Bases para la interpretación estratigráfica del ensayo CPTU

qC fs FR% u Bq

Are

nas

Altos valores de qc. Forma dentada de la curva de pene-tración.

Bajos valores de fs. Aumenta si existe ce-mentación.

Bajos valores de FR%. Típico 1. En arenas carbo-náticas puede llegar a 3.

Valores de u dinámica simi-lares a uh (hidrostática si acuífero libre). u puede ser negativo en arenas dilatan-tes.

u tiende a cero, luego Bq tam-bién, o negativo si u es negativa

Arc

illa

s

Bajos valores de qc. Forma suave de la curva, aumenta linealmente con la profun-didad.

Valores relati-vamente más altos de fs que las arenas.

Valores elevados de FR%. Valores típicos superio-res a 3 en arci-llas normalmen-te consolidadas (NC). Disminu-ye al aumentar la sobreconsolida-ción (fisuración).

Valores de u elevados en arcillas nor-malmente con-solidadas (NC). En arcillas fisu-radas, u similar a uh o incluso menor.

Bq tiende a 1. En arcillas plásticas puede llegar a 0,8.

Existen correlaciones basadas en la experiencia que permiten clasificar el tipo de terreno

en función de estos parámetros. Una de ellas, de uso bien extendido, se incluye en la

siguiente Figura nº 4 tomada de Robertson (1990). Esta interpretación permite estable-

cer una litología muy detallada de la zona de estudio.

Para interpretar los resultados de los ensayos de disipación de presiones intersticiales

(evolución de la presión medida por el piezómetro cuando el avance del cono se detie-

ne) es preciso calcular, del diagrama correspondiente, el valor que corresponde al 50%

de disipación. Este tiempo puede obtenerse con las mismas técnicas que se utilizan en la

interpretación de los tiempos de consolidación de los ensayos edométricos (método lo-

garítmico o de Casagrande y método de la raíz cuadrada del tiempo, por ejemplo).

Page 21: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

17

Figura nº 4.- Clasificación del suelo a partir de los resultados del CPTU

(Figura tomada de la ROM 0.5-05)

También se necesita conocer el índice de rigidez Ir definido mediante la siguiente igual-

dad:

Ir = us

G

donde:

G = módulo de rigidez transversal del suelo.

su = resistencia al corte sin drenaje.

Con estos datos (t50 e Ir) se puede estimar el valor del coeficiente de consolidación ra-

dial, ch, del nivel donde se detenga la hinca del cono y se realice el ensayo de disipa-

ción. Esa estimación está basada en experiencias previas , tal como la que se recoge en

la siguiente Figura nº 5.

Lo visto hasta este punto sería la interpretación más directa del ensayo CPTU. Sin

embargo, existen numerosas relaciones con otros parámetros geotécnicos. A continua-

Page 22: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

18

ción se van a indicar algunas de estas relaciones que pueden consultarse en la literatura

técnica.

Figura nº 5.- Gráfico para la determinación de ch a partir de t50 y un índice de

rigidez (Ir) entre 50 y 500

(Figura tomada de la ROM 0.5-05)

Suelos arenosos

En primer lugar, se puede estimar el peso específico del terreno.

236,1p

qlog36,0Rlog27,0

a

tf

w

%100p

fR

a

sf

donde pa es la presión atmosférica que se toma como presión de referencia.

Como se ha comentado en el ensayo SPT, en los suelos arenosos la densidad relati-

va es un parámetro que permite clasificar el comportamiento de los suelos.

Page 23: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

19

%q

log6698DR'

0v

c

No es sencillo obtener una única relación entre el ensayo de penetración estática y

el ángulo de rozamiento ya que qc en terreno no cohesivos depende de la resistencia al

corte y a la deformabilidad. Por este motivo no existe una relación simple y general. A

pesar de ello, en algunas publicaciones se muestran algunas relaciones.

Para arena cuarzosas no cementadas Robertson y Campanela propusieron la si-

guiente Figura nº 6.

Figura nº 6.- Ángulo de rozamiento en arenas en función de qc y la tensión vertical

efectiva

(Figura tomada de Ensayos geotécnicos in situ)

Y Clausen y Denver propusieron las siguientes relaciones para arenas normalmente

consolidadadas

185,0

'0v

c'nc

qº2,17

Y sobreconsolidadas:

06,0

185,0

'0v

c'sc OCR

qº2,17

Page 24: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

20

Al igual que con la resistencia con la deformabilidad del terreno no existe una expresión

sencilla y directa con qc. Sin embargo, existen numerosas correlaciones en la literatura

técnica. En general para arenas, las correlaciones son del siguiente tipo de forma:

M = qc

donde: M es el módulo edométrico.

El coeficiente varía en el rango de 1,5 a 4 para arenas normalmente consolidadas y de

8 a 15 para arenas sobreconsolidadas.

En realidad el factor depende del grado de consolidación, de la tensión vertical efecti-

va, de la densidad relativa,... entre otros factores. Vesic (1970) propuso la siguiente ex-

presión:

= 2 + 2 DR2

Existen, además, algunas otras expresiones que permiten estimar el módulo de deforma-

ción.

Suelos arcillosos

Las valoraciones en suelos cohesivos deben tomarse con cierta cautela ya que el com-

plejo comportamiento del suelo cohesivo y las elevadas variaciones de los esfuerzos y

deformaciones hacen difícil establecer una base teórica para determinar el valor de la

resistencia al corte sin drenaje.

Sin embargos, existen algunas correlaciones que son empleadas habitualmente. Entre

ellas la siguiente:

)'q(N

1s vc

ku

Nk, es una constante que tiene como valor medio 15, pudiendo estar en el rango com-

prendido entre 12 y 18. Larsson y Muldabdic (1991) propusieron la siguiente expresión:

Page 25: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

21

)q(LL65,64,13

1s voTu

Como en las arenas, el módulo de deformación confinado se suele expresar en función

de la resistencia por punta.

M = qc

Donde se puede consultar en la siguiente tabla (Tabla VIII)

Tabla VIII.- Valor del parámetro para obtener el módulo de deformación

qc (bar) Tipo de suelo

< 7 3 a 8 Arcillas de baja plasticidad

7 a 20 2 a 5 CL

> 20 1 a 2,5

> 20 3 a 6 Limos de baja plasticidad

< 20 1 a 3 ML

< 20 2 a 6 Arcillas y limos plásticos

MH; CH

< 12 2 a 8 Limos orgánicos (OL)

< 7 Arcillas orgánicas (OH)

Pero se ha comprobado que pueden existir errores que alcancen el 100%.

Kullhawy y Mayne (1990) propusieron la siguiente relación:

)q(25,8M voT

5. ENSAYO PRESIÓMETRICO

Descripción del ensayo

Estos ensayos consisten en la aplicación de una presión en el interior del terreno mi-

diendo la deformación que se provoca. Se utiliza un recinto cerrado por una membrana

que aloja un volumen de fluido controlable. El aumento del volumen de ese fluido com-

prime la membrana contra las paredes del sondeo.

Page 26: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

22

El ensayo se puede hacer mediante ensayos de tensión controlada (se aplican escalones

de carga constantes y se espera a que se estabilicen bajo la carga aplicada), deformación

controlada (la velocidad de deformación de la sonda es constante) y mixta (inicialmente

se aplica el ensayo con tensión controlada hasta que la deformación radial no alcance el

1%/min y a partir de ese momento el ensayo se realiza con velocidad de deformación

constante). Este último método evita el inconveniente de los ensayos de deformación

controlada en los que durante la fase elástica, al comienzo del ensayo, se toman muy

pocas lecturas. En cambio, en los ensayos de tensión controlada la velocidad de defor-

mación varía mucho en la fase plástica.

Normalmente el ensayo se realiza en el interior de un sondeo previamente perforado

(PBP, Pre-Boring Pressuremeter) donde se introduce el equipo presiométrico.

En los últimos años se ha comenzado a utilizar en España el presiómetro autoperforador

(SBP, Self-Boring Pressuremeter) que va alojado en el propio equipo de perforación y,

en consecuencia, no requiere la separación del ensayo en dos fases. Con este nuevo

equipo se evita la relajación de tensiones y deformación previa (incluso posible rotura)

que se puede producir antes de posicionar los presiómetros convencionales. También

pueden utilizarse presiómetros hincados en suelos blandos (PIP, Push-In Pressureme-

ter). Este último sería de menor interés en las obras subterráneas.

Estos ensayos no están normalizados en España, realizándose normalmente al amparo

de la normativa francesa (NFP 94-110).

En España se suele utilizar la sonda OYO, que se realiza en perforaciones de 76 mm.

Las presión máxima que se puede alcanzar es de 20 MPa la sonda lleva transductores de

desplazamiento para obtener la deformación de la sonda. Aunque la mayoría de los

equipos trabajan con presiones de 10 MPa.

En la realización de los ensayos tipo PBP el diámetro del sondeo depende de manera

significativa. Según la Norma Francesa (NFP 94-110) la relación entre el diámetro de la

perforación y del presiómetro debería ser:

nperforacióopresiometr d15,1d

Page 27: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

23

En la norma ASTM D4719-87 la relación que se propone es:

nperforacióopresiometrnperforació d15,1dd03,1

Además del diámetro en los presiómetros PBP también influye el tipo de perforación.

Dependerá del tipo de terreno. En general, el sistema de perforación a rotopercusión con

martillo con lodos es el que se puede emplear en un mayor número de terrenos.

Datos directos del ensayo

Para la interpretación del ensayo se suelen adoptar las siguientes hipótesis:

- La deformación del terreno es radial. Esto se cumple si la dimensión vertical es

mucho mayor que la radial.

- Se supone que la deformación del terreno se produce solamente en la dirección

radial y en la dirección vertical es nula. Es decir, es un problema de deformación

plana.

- Las tensiones principales son las correspondientes a la dirección radial, axial y

circunferencial.

En la realidad existen algunos condicionantes que hacen que existan diferencias entre

los resultados teóricos obtenidos suponiendo la expansión de la cavidad cilíndrica y los

resultados obtenidos a partir de otros ensayos (in situ o de laboratorio):

Alteración del terreno al introducir la sonda.

Sonda no situada verticalmente.

La tensión vertical no es igual a la tensión intermedia.

Anisotropía del terreno.

El terreno no se comporta como un medio continuo sino que existen discontinui-

dades.

Drenaje parcial durante el ensayo.

Las propiedades del terreno dependen del rango de tensiones del ensayo.

La cavidad no se expande como un cilindro.

Page 28: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

24

Normalmente los resultados del ensayo presiométrico se representan en gráficos cuya

ordenada corresponde a la presión aplicada y cuya abcisa corresponde a la deformación

radial, r, definida por la expresión:

r = o

o

r

rr

donde:

r = radio medio de la cavidad en un momento del ensayo.

ro = radio inicial de referencia.

Sin embargo, en la realidad, durante el ensayo se mide cómo varía el volumen de la

sonda. A partir de ese valor se deduce la deformación radial.

Con estos dos datos (volumen y presión) se puede preparar el diagrama deformación-

presión para un ensayo tipo PBP que se ilustra en el esquema de la Figura nº 7.

pho = presión horizontal inicial.

pf = presión de fluencia.

pl = presión límite

Figura nº 7.- Esquema del resultado de un ensayo presiométrico

(Figura tomada de la ROM 0.5-05)

Page 29: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

25

Como se puede ver, en un primer momento se mide la expansión de la membrana hasta

entrar en contacto con las paredes del sondeo. A continuación se produce una zona elás-

tica donde la deformación y la presión crecen de manera lineal. Por último estaría la

zona plástica del ensayo.

Es habitual medir las deformaciones a los 60 segundos de aplicada la carga. Sin embar-

go, si se midiera adicionalmente a los 30 segundos se podría determinar la fluencia que

se produce y analizar con mayor detalle el resultado del ensayo.

La interpretación del ensayo presiométrico permite conocer tres presiones de interés:

a) Presión horizontal inicial, pho. Es la presión que ha de ejercerse para establecer

el contacto membrana-terreno y deformarlo hasta su posición original, antes de

practicar el sondeo. En los presiómetros convencionales esa presión corresponde

al quiebro de la curva presión-deformación (punto de máxima curvatura). Exis-

ten procedimientos detallados para determinarla5.

b) Presión de fluencia, pf. Es la presión donde acaba un tramo recto que suele apa-

recer en estos diagramas. A partir de ella, las deformaciones son claramente no

lineales. Su determinación detallada puede realizarse con ciertas técnicas, aun-

que en la práctica rutinaria suele definirse casi a simple vista.

c) Presión límite, pl. Es la presión que provoca una deformación radial del 41% o

lo que es lo mismo una deformación volumétrica del 100% respecto al valor ini-

cial de la sonda. Si el ensayo no ha alcanzado esa deformación, es necesario

hacer una extrapolación para obtenerla a partir del gráfico presión (ordenada) -

incremento de volumen dividido por el volumen inicial (abcisa). Otra posibili-

dad sería representar en abcisas en inverso de la deformación y en ordenadas la

presión. El valor en el origen de esta curva sería la presión límite correspondien-

te al ensayo. La relación entre presión límite y presión de fluencia es de 1,7 se-

gún Menard.

5 Véase, por ejemplo, la tesis doctoral de H. Cano Linares «Técnicas “in situ” para la caracterización del comporta-

miento elástico no lineal de suelos duros». E.T.S. Ing. Caminos, Canales y Puertos. U.P.M. Madrid 2004.

Page 30: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

26

Correcciones de los resultados brutos

Los datos tomados en bruto durante el ensayo deben ser corregidos tal como se indica a

continuación. El tarado del equipo, antes de su utilización, permite conocer qué parte de

la presión que se aplica es necesaria para deformar la membrana y ese valor se debe

restar a la presión aplicada para obtener la presión corregida que es la que debe utilizar-

se en el gráfico de resultados. Además, se deberían realizar en las lecturas las siguientes

correcciones.

* Corrección debido a la presión del agua

En aquellos casos en los que la deformación se mide como cambio de volumen, a la

lectura leída habría que añadirla la presión de agua que existe dentro de la tubería, desde

la central de medida al punto de ensayo.

hidráulicaleidacorregida PPP

* Corrección debido a la inercia de la membrana

La segunda corrección sería debida a la inercia del a membrana. Para ello habría que

realizar ensayos que midan la rigidez de la membrana alcanzado deformaciones simila-

res a las que se esperan en el ensayo. Esta corrección es más importante para suelos

blandos. En suelos firmes o rocas apenas tiene importancia.

inercialeidacorregida PPP

* Corrección debido a la compresión del sistema Por último habría que tener en cuenta la posible compresión del propio sistema:

leídoleidacorregido PaVV

donde a es una constante que se debe obtener mediante la realización de ensayos especí-

ficos.

Page 31: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

27

Información deducida a partir del ensayo presiométrico

La interpretación de la curva presiométrica permite obtener ciertos parámetros caracte-

rísticos del comportamiento del terreno, tal como se indica a continuación.

Deformabilidad

Se define como módulo presiométrico, Ep, al valor siguiente:

)1(2

GEp

donde:

G = módulo de rigidez transversal.

ν = módulo de Poisson.

El módulo de Poisson no se puede determinar con este ensayo. Si se quiere conocer el

módulo presiométrico habrá que hacer alguna hipótesis sobre el valor adecuado de ν.

Pero lo interesante sería conocer el valor del módulo confinado del terreno o el valor del

módulo de Young ya que son los valores que se suelen emplear en los modelos numéri-

cos.

Existe una correlación empírica entre el módulo confinado (Em) y el módulo presiomé-

trico en función del tipo de terreno.

pm

EE

siendo el valor indicado en la tabla siguiente (Tabla IX).

Tabla IX.- Coeficiente de relación entre el módulo edométrico y el módulo

presiométrico

Suelo Arcilla Limo Arenas Arenas y gravas

2/3 1/2 1/3 1/4

Page 32: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

28

Algunos autores han intentado estimar el valor de no sólo a partir del tipo de terreno

sino en función de los datos del ensayo (presión límite y módulo presiométrico). Ver

Tabla X.

Tabla X.- Coeficiente función del tipo de suelo y de la compactación

Arcillas Limos Arenas Arenas y gravasTipo de suelo

Ep/P1 Ep/P1 Ep/P1 Ep/P1

Sobreconsolidadas >16 1 >14 2/3 >12 1/3 >10 1/3

Normalmente consolidado

9-16 2/3 8-14 1/2 7-12 1/3 6-10 1/4

Remoldeadas 7-9 1/2 1/2 1/3 1/4

El módulo de rigidez transversal, G, del terreno, para el nivel de deformaciones del en-

sayo y para la dirección de carga correspondiente (perpendicular al eje del sondeo), se

puede obtener mediante la expresión:

V

pVG 0

donde:

p = aumento de presión entre los dos puntos donde se advierte una respuesta li-

neal.

V = aumento de volumen entre esos dos mismos puntos.

Vo = volumen de referencia.

Normalmente se debe utilizar como volumen de referencia el correspondiente al inicio

del tramo elástico (tramo recto).

Si se toma la zona inicial de la recta se puede obtener el valor del módulo de corte ini-

cial:

V

pVG 0h

0i

c

1

Page 33: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

29

Resistencia

En suelos arcillosos saturados es posible obtener un valor recomendado de la resistencia

al corte sin drenaje, su, mediante un análisis específico de la zona no lineal del final de

la curva presiométrica (presión de ensayo comprendida entre pf y pl). La expresión co-

rrespondiente es:

su =

o1

o2

12u

VV

VVln

pps

donde:

p1, p2 = presiones cualquiera en el tramo pf – pl.

V1, V2 = volúmenes de fluido en el presiómetro para esas mismas presiones.

Vo = volumen de referencia. Se tomará el que corresponde a pho.

Teóricamente el valor de su sería independiente de los puntos 1 y 2 que se elijan. Pero

será necesario tantear distintos valores para obtener un valor razonable.

En suelos arenosos permeables, siempre que se garantice que durante el ensayo no se

generan presiones intersticiales importantes, se puede obtener, de esa misma rama curva

final del ensayo, una idea aproximada del ángulo de rozamiento interno del terreno,

mediante la expresión siguiente6:

= 7º (1 + 10 s) > 30º

donde:

o1

o2

o1

o2

rr

rrln

up

upln

s

donde:

p1, p2 = presiones cualquiera en el tramo pf – pl.

r2, r1 = radios del presiómetro para esas mismas presiones.

6 Esta expresión simplificada se ha deducido del gráfico de la publicación de Mair, R.J. y Word, D.M. (1987). Pres-

sumeter Testing. Butterworths. London. Para ello se ha supuesto un suelo granular convencional cuyo ángulo de rozamiento crítico sea de 30º.

Page 34: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

30

ro = radio de referencia, se tomará el que corresponda a pho.

uo = presión hidrostática del agua intersticial al nivel del ensayo.

Otros parámetros

Además existen algunas correlaciones entre los valores de la presión límite de los ensa-

yos presiométricos y algunos otros parámetros. Por ejemplo, con el valor del NSPT.

El coeficiente de empuje al reposo, Ko, del terreno se puede obtener mediante la expre-

sión siguiente:

Ko = vo

ho

'

up

donde:

pho = presión horizontal inicial, deducida del ensayo.

u = presión intersticial al nivel del ensayo.

′vo = presión vertical efectiva al nivel del ensayo.

Tabla XI.- Relación entre la presión límite y el ensayo SPT

PLM (kN/m2) Descripción arena NSPT

0 a 200 Muy suelta 0 a 4

200 a 500 Suelta 4 a 10

500 a 1500 Medianamente densa 10 a 30

1500 a 2500 Densa 30 a 50

>2500 Muy densa > 50

6. DETERMINACIÓN IN SITU DE LA PERMEABILIDAD

Cuando se está en la fase de reconocimiento del terreno es posible determinar in situ la

posible permeabilidad del suelo.

Page 35: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

31

Ensayo Lefranc

En perforaciones se pueden realizar ensayos Lefranc para puntos situados por debajo del

nivel freático. Este ensayo es el más utilizado en suelos, de ejecución muy sencilla y

económica. En concreto, sería aplicable para medir coeficiente de permeabilidad en

suelos permeables o semipermeables, de tipo granular y situados bajo el nivel freático.

También en rocas muy fracturadas.

Dicho ensayo se lleva a cabo durante la ejecución de un sondeo de diámetro d. En un

momento determinado la tubería que se emplea para contener las paredes se eleva una

altura l y se llena de agua la cual fluye hacia el interior del sondeo. Este ensayo Lefranc

se puede realizar en el fondo de la perforación o bien en un tramo de la misma. Poste-

riormente se llena de agua aportando un caudal Q hasta que el nivel asciende hasta la

boca del sondeo (altura H entre el nivel freático exterior y el nivel dentro del sondeo)

comprobando que el régimen es estacionario. En el caso del ensayo de carga constante

se mide la cantidad de agua necesaria para mantener el nivel constante. En cambio, si el

ensayo es descarga variable se mide la velocidad de descenso del agua en el sondeo. La

lecturas (bien del caudal, bien del descenso de la lámina de agua) se toman con un in-

tervalo de 1 a 5 minutos (en función de la mayor o menor permeabilidad del suelo) se

van registrando las medidas durante un periodo no inferior a 30 minutos (algunos auto-

res recomiendan 45 minutos). Las medidas del caudal deben realizarse cada 5 min. Si la

admisión es muy alta debe medirse cada minuto durante los 20 primeros minutos y lue-

go cada 5 min.

Hay que decir que los detalles de ejecución de este tipo de ensayos, tales como la lim-

pieza del fondo del sondeo, la estabilidad de sus paredes, la obturación de la zona reves-

tida del sondeo, etc., tienen o puede tener repercusiones muy altas en los resultados. Por

eso, la determinación de la permeabilidad es siempre una tarea de resultados poco preci-

sos.

Si el ensayo se realiza en un tramo del sondeo (la tubería se eleva) el coeficiente de

permeabilidad que se obtiene si el ensayo es de carga constante:

H

Qmk

Page 36: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

32

donde m es un coeficiente de forma que tiene dimensiones de longitud y que depende

del diámetro del sondeo y de la longitud que se levanta la tubería de revestimiento. Si se

cumple que l > 4 · d es bastante exacto considerar que m toma el siguiente valor (algu-

nos autores indican que l > 2 · d):

l2d

l2lnm

Si no se cumple la relación entre l y d, se podría emplear la siguiente expresión general:

l2

1dl

dlln

m

2

Otros autores proponen la siguiente expresión:

4Z2

1

d

L2log

l

2

m

Donde Z es la distancia entre el nivel freático y el punto medio de la zona del ensayo.

Si el ensayo se realizara en el fondo del sondeo (teniendo las paredes del mismo entu-

badas) entonces el coeficiente de permeabilidad se obtendría mediante la siguiente ex-

presión.

HC

Qk

donde d2,75C para algunos autores y 2

d5,7C para otros.

Pudiera suceder que a cierta distancia del fondo del sondeo existiera un estrato imper-

meable. En este caso, el coeficiente de permeabilidad se obtendría empleando el si-

guiente parámetro:

scorregido Hπ8

dmm

donde Hs es la distancia entre la posición media de la zona permeable y el estrato im-

permeable.

Page 37: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

33

Por último, si el ensayo fuera con un nivel variable, entonces la expresión que se emplea

para determinar el coeficiente de permeabilidad sería:

2

1

2e

h

hln

tl8d

l2lnd

k

donde:

K: permeabilidad Lefranc

de: diámetro de la zona entubada, no filtrante

l: longitud de la zona filtrante

d: diámetro de la zona filtrante

h1,h2: altura de agua al inicio y al final del ensayo, respectivamente

t: tiempo transcurrido durante el descenso desde h1 hasta h2

Como se ve en este caso no existe ningún factor de corrección de forma.

Otro ensayo para medir la permeabilidad in situ es el ensayo Lugeon. Para su realiza-

ción es necesaria una resistencia mínima del terreno por lo que es más propio para rocas

que para suelos. Al igual que el ensayo Lefranc, se realiza también en el interior de un

taladro. Para su realización es necesario el empleo de obturadores que aíslan una longi-

tud de taladro de dos metros o más (normalmente se ensayan 5 m de sondeo). Una vez

obturado se comienza a dar presión mediante una bomba hasta alcanzar el valor de

10 kp/cm2 manteniéndola aplicada durante 10 min (la presión se aplica en escalones de

carga y descarga (0, 1, 2, 5 y 10 kp/cm2). Durante ese tiempo se mide la pérdida de agua

que se produce, que es un índice de la permeabilidad. En rocas blandas donde no se

puede producir la fracturación de la roca antes de llegar a los 10 kp/cm2. Es importante

aclarar que los valores de permeabilidad obtenidos a 5 y 10 kp/cm2 no pueden extrapo-

larse a presiones mayores.

Se define una unidad Lugeon como la pérdida de un litro, por minuto y por metro lineal

en dichas condiciones. Y existe una relación teórica entre la unidad Lugeon y la per-

meabilidad equivalente en un medio poroso:

1 UL <> 1,3 10-5 cm/s

Page 38: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

34

En ocasiones al aumentar la presión aumenta la permeabilidad lo que indica la apertura

de fisuras.

El tipo de gráfico del ensayo (caudal en abcisas y presión en ordenadas) permite cono-

cer alguna información sobre el ensayo realizado:

- Flujo laminar

La relación entre el caudal y la presión es de tipo lineal. Este hecho indica que

las fracturas son finas, el relleno posiblemente granular y el consumo por fractu-

ra es aproximadamente igual. Normalmente está asociado a valores Lugeon infe-

riores a 3 UL.

- Flujo turbulento

El caudal correspondiente a la presión máxima es menor que para presiones in-

termedias y mínimas. Este comportamiento indicaría que las fracturas son de di-

ferente grosor. Suele estar asociado a valores Lugeon mayores que 4 UL.

- Dilatación

En este caso cuando la roca es sometida a la presión máxima hay una cierta aper-

tura de la fractura (o se comprime el material de relleno debido a la presión del

agua) por lo que el caudal se incrementa. Es un proceso reversible (se puede su-

poner elástico).

- Erosión

El material de las fracturas es lavado durante el ensayo incrementándose el vo-

lumen de las mismas y, por tanto, el caudal con el tiempo. La curva caudal-

presión se ensancha y las flechas irán en sentido horario.

- Relleno

La posible sedimentación de los finos que pudiera transportar el agua o bien por

el material erosionado que posteriormente se deposita en el relleno, las fracturas

se cierran o se taponan según transcurre el ensayo. El caudal decrecerá con el

tiempo. Las curvas en este caso también se ensanchan pero las flechas irán en

sentido antihorario.

Page 39: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

35

Como resumen se presenta la clasificación de Olalla y Sopeña (1991). Ver Tabla XII.

Tabla XII.- Clasificación de macizos rocosos en función de la permeabilidad

Tipo de macizo Unidades Lugeon Presión (kp/cm2)

Muy impermeable 0 - 1 10 Prácticamente imper-

meable 1 - 3 10

> 3 10 Permeable

1,5 - 6 5

> 3 10 Muy permeable

> 6 5

Para problemas singulares en los que la permeabilidad puede resultar un factor determi-

nante en el proyecto, entonces se podrían realizar ensayos específicos de bombeo dise-

ñados particularmente para el problema concreto. En estos ensayos se suele ir extrayen-

do el agua del terreno a la vez que se mide el descenso del nivel piezométrico en las

proximidades del pozo. La ventaja de estos ensayos es que es un ensayo a escala real, y

se mide la permeabilidad de una gran masa de suelo. El principal inconveniente es el

coste.

7. ENSAYO DE CORTE IN SITU

En ocasiones puede ser interesante determinar la resistencia in situ de la roca. Se podría

producir un comportamiento análogo al ensayo de corte directo que se realiza en labora-

torio. Para hacer este ensayo se necesita realizar una galería para acceder al punto en el

que se quiere realizar el ensayo. A continuación se talla un bloque en la base o en las

paredes de la galería. La unión de dicho bloque con el resto de la roca debe orientarse

según la dirección en la que quiere que esto ocurra. Las dimensiones pueden estar com-

prendidas entre 0,40 m y 1 m (se puede tomar como valor más común 0,5 m 0,5 m).

Dicho bloque es protegido mediante un marco metálico rígido. Sobre el bloque es nece-

sario aplicar una presión normal antes de aplicar una fuerza tangencial mediante un ga-

to. Normalmente, dicho fuerza se aplica en la base del bloque por lo que no se introduce

un momento sobre el plano de estudio.

Page 40: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

36

Durante la aplicación de las cargas se mide tanto el valor de las mismas como los des-

plazamientos. En el caso de la fuerza normal sólo será necesario conocer el desplaza-

miento en esa dirección. Pero en el caso de la fuerza tangencial es necesario conocer

tanto el movimiento normal como el tangencial.

Cuando los ensayos se realizan en una galería los gatos apoyan sobre el techo y paredes

de para poder conseguir la reacción necesaria. Si no se realizara en una galería sería

necesario disponer de unas vigas metálicas ancladas para poder apoyar el gato.

Se deberían realizar tres o cuatro muestras, aplicando a cada muestra una presión nor-

mal distinta. El resultado de representa en un gráfico esfuerzo normal-esfuerzo tangen-

cial. Uniendo los puntos mediante una línea recta es posible definir la cohesión y el án-

gulo de rozamiento si adoptamos como criterio de rotura el de Mohr-Coulomb.

8. ENSAYOS DE PLACA DE CARGA

También en galería se pueden hacer ensayos de placa de carga que permiten determinar

las propiedades deformacionales de la roca. También se podría conocer algún dato de la

resistencia.

El ensayo consiste en colocar una placa sobre el terreno, aplicar una serie de cargas y

medir deformaciones. Las placas pueden tener unas dimensiones que pueden oscilar

entre 30 x 30 cm y 100 x 100 cm). Se suele mantener la carga en cada escalón hasta

que el incremento del asiento sea inferior a 0,01 mm, con un intervalo entre lecturas de

5 min. En un ensayo se pueden hacer varios ciclos de carga y descarga.

Las cargas se aplican mediante gatos hidráulicos que actúan sobre una carga de lastre

(un camión, anclaje de los gatos...).

En ocasiones, la deformabilidad se mide empleando varillas ancladas a distintas profun-

didades, midiéndose así la deformación del terreno a distintas profundidades. La esti-

mación de la deformabilidad con este tipo de ensayos se suele realizar suponiendo un

Page 41: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

37

comportamiento elástico (teoría de Boussinesq).del terreno (cuando este es un suelo) El

módulo de Young se podría estimar como:

rS

P5,1E s

Siendo r el radio de la placa, Ps la presión media bajo la placa y S el asiento de la placa.

Para el caso de ensayos en roca la interpretación de los resultados podrían realizarse con

las siguientes expresiones:

z

1LPE

2S

para placa cuadrada

z4

1dPE

2S

para placa circular

Donde z es el hundimiento de la placa, d y L el diámetro y anchura de la placa (según el

la geometría que tenga).

Figura nº 8.- Esquema del ensayo de placa de carga

(Figura tomada del libro Ingeniería Geológica)

Page 42: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

38

9. ENSAYO DE GATO PLANO

Para medir las tensiones existentes en un revestimiento de un túnel o en la propia roca

se pueden hacer ensayos de liberación de tensiones. También se puede estimar la de-

formabilidad de la roca.

En primer lugar ser colocaron, como mínimo, un par de puntos de estudio para poder

conocer los movimientos de la fisura. Para ello se debería realizar una fisura en el reves-

timiento o en la roca.

A continuación se ejecutaría la fisura mediante una sierra o mediante perforación de

taladros.

Posteriormente se dejaría que transcurriera cierto tiempo (por ejemplo 24h-36 h). Du-

rante este tiempo se mediría la variación en la apertura de la fisura creada (si está en

compresión se cerraría al liberarse las tensiones). Con la medida de los movimientos y

conociendo las constantes elásticas de la roca, teóricamente, se puede estimar las ten-

siones preexistentes. Aunque este cálculo es complejo y se suele tomar como una indi-

cación complementaria (en realidad las tensiones que se miden sólo son las existentes

después de la perforación de la ranura).

A continuación se introduce en la fisura practicada un gato y se aplica la presión necesa-

ria hasta que la fisura tenga las mismas dimensiones que inmediatamente después de

haberla practicado (se suele emplear un gato plano). Y se estima que la presión necesa-

ria para eliminar la deformación es la presión que existía inicialmente. Evidentemente,

el material puede seguir un ciclo de histéresis que haga que las tensiones aplicadas por

el gato sean mayores que las preexistentes para llegar a un mismo estado de deforma-

ción. El método está especialmente indicado para medir tensiones paralelas a la superfi-

cie de una roca y en las proximidades de dicha superficie.

Durante el ensayo además de medir las tensiones es posible medir las deformaciones y,

a partir de ese valor, la deformabilidad del macizo rocoso.

Page 43: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

39

En la Figura nº 9 e muestra un esquema del ensayo tomada del libro Ingeniería Geológi-

ca.

Figura nº 9.- Esquema del ensayo de gato plano

(Figura tomada del libro Ingeniería Geológica)

10. COMENTARIOS FINALES

En el presente documento se han resumido algunos de los principales ensayos in situ

que suelen realizarse para caracterizar los suelos y las rocas.

A modos de resumen, en las siguientes tablas (Tablas XIII y XIV) se indican los ensa-

yos descritos, cómo se ejecutan y sus características principales y los resultados que se

obtienen. Para facilitar la comparación al alumno, se ha diferenciado los ensayos pro-

puestos para conocer la resistencia del terreno de los que están enfocados a estimar la

deformabilidad.

Page 44: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

40

Tabla XIII.- Ensayos in situ de resistencia

Ensayo Lugar Descripción Características Resultados

Penetración estándar (SPT)

En el interior de los sondeos.

Resistencia a la penetración de una puntaza mediante golpeo con una energía normalizada.

En suelos, especialmente en materiales no cohesivos.

Valor N de resistencia a la penetración que puede ser correlacionado con parámetros geotécnicos.

Penetrómetro dinámico

A partir de superficie hasta una profundidad de 25 m.

Medida de la resistencia a la penetración de una puntaza mediante golpeo con una energía normalizada.

Tipos: Borro, DPL, DPM, DPH y DPSH. No se obtienen muestras.

Medida indirecta de la resis-tencia del terreno mediante el valor NB. Se puede relacionar con el SPT.

Penetrómetro estático

A partir de superficie hasta una profundidad de 30 m.

Registro continuo de la resis-tencia a la penetración de una punta y un vástago mediante presión.

En suelos granulares y cohesi-vos blandos. Cuando se instala un piezocono se pueden medir presiones intersticiales. No se obtienen muestras.

Resistencia por punta, roza-miento lateral y presiones intersticiales.

Corte in situ En galerías, zanjas y pozos.

Medida de la tensión tangencial necesaria para producir la rotura a través de una disconti-nuidad sometida a una determi-nada carga normal.

Puede emplearse la célula de Hoek para muestras pequeñas o testigos en campo.

Resistencia al corte de un plano de discontinuidad.

Tabla XIV.- Ensayos de deformabilidad

Ensayo Lugar Descripción Características Resultados

Placa de carga en suelos.

Zanjas, pozos y en superficie.

Media de las deformaciones producidas al aplicar cargas verticales conocidas mediante una placa lisa y rígida.

Las placas pueden tener dimen-siones variables (30 30 a 100 100 cm).

Módulo de Young y coeficien-te de balasto.

Placa de carga en macizos rocosos

En galerías y túneles. Medida de las deformaciones producidas al aplicar cargas conocidas mediante una placa lisa y rígida.

Las placas pueden tener dimen-siones variables (30 30 a 100 100 cm). Resulta difícil aplicar cargas > 200 t.

Módulo de Young.

Presiómetro (en suelos)

En el interior de sondeos.

Medida de la deformación del terreno al ir aplicando una serie de presiones controladas en suelos.

Aplicable en materiales con E ≤ 6.000 MPa. Puede ejercer presiones hasta 20 MPa.

Módulo de deformación presiométrico.

Dilatómetro (en rocas)

En el interior de sondeos.

Medida de la deformación del terreno al ir aplicando una serie de presiones controladas en rocas.

Aplicable en materiales con E ≤ 15.000 MPa. Puede ejercer presiones mayores de 20 MPa.

Módulo de deformación dilatométrico.

Gato plano En superficie, galerí-as, túneles.

Medida de la deformación a lo largo de una hendidura creada en la roca.

Hasta 70 MPa. Módulo de deformación y estado tensional.

Page 45: Parametros caracterizacion 15_insitu_v4

MASTER EN TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

41

ANEJO I

BIBLIOGRAFÍA

CUSTODIO et al, (1976). Hidrología Subterránea. Omega

GÓMEZ, F.J., ANDREU, F.J. Y DE LA GANDARA, J (1985). La deformabili-

dad del suelo "in situ" un método para la interpretación conjunta de los ensayos

de laboratorio y de campo. Revista internacional de métodos numéricos para

cálculo y diseño en ingeniería.

GONZÁLEZ DE VALLEJO, L. (2002). Ingeniería geológica. Prentice Hall

IGEOTEST (2004). Ensayos geotécnicos in situ. Su ejecución e interpretación.

JIMÉNEZ SALAS, J. A. Y JUSTO ALPAÑÉS, J. L. (1975). Geotecnia y Ci-

mientos II. Ed. Rueda.

PUERTOS DEL ESTADO. (2005). ROM 0.5.05. Recomendaciones Geotécni-

cas para Obras Marítimas y portuarias. Ministerio de Medio Ambiente.