T024-Calibración_del_Penetrómetro_Dinámico_Liviano_-_DPL

5/9/2018 T024-Calibraci n_del_Penetr metro_Din mico_Liviano_-_DPL - slidepdf.com

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XX Congreso Argentino de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica 2010 CAMSIG 2010, Mendoza, Argentina

Calibración del Penetrómetro Dinámico Liviano - DPL

R.O. Brunt & L.R. Di [email protected] & [email protected]

Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Bahía Blanca, Dpto. de Ingeniería Civil

RESUMEN: el trabajo consiste en la calibración de un Penetrómetro Dinámico Liviano DPL,correlacionando Valor Soporte Relativo, medido en probetas de suelos compactadas y el Dn mm/golpeobtenido al penetrar a las mismas con el DPL. El DPL utilizado, construido en la UTN Facultad RegionalBahía Blanca, consta de un mazo de 8 Kg., caída de 57,5 cm y punta cónica a 60 grados con diámetro debase de 2 cm. Se consideró que la relación VSR vs Dn podría variar con distintos porcentajes de retenido entamiz número 4 de suelos granulares seleccionados, compactados a distintas densidades o con distintashumedades de mezclado. El suelo empleado es una arena limosa calcárea de la Fn Pampeano con pasa tamiz4 entre 30 y 100 %, ensayando probetas compactadas con densidades secas entre 1,65 y 1,83 g/cm3. Losdosajes utilizados tuvieron distintos porcentajes de retenidos en el tamiz 4, variando la humedad de moldeodel 8 al 22%. Cada probeta fue confeccionada con estricto control de granometría, humedad, densidad,instrumental utilizado y demás detalles de procedimientos. Al relacionar los valores obtenidos, se observa que

los Dosajes como las Densidades afectan levemente a la relación VSR vs Dn, siendo la humedad utilizada laque mas afecta esta relación. La utilización del DPL en obras, podría reemplazar a los controles de densidad eindicar el VSR real de capas compactadas. Con la curva de calibración obtenida se evaluaron paquetesestructurales de rutas, definiéndose adecuadamente espesores de base y subbase, y tramos con deficiencias.

Palabras clave: calibración – penetrómetro – correlación – penetración – valor soporte California.

ABSTRACT: It was carried on the calibration of a Dynamic Penetrometer (DP) in order to correlate D N

mm/blow with the measured Californian Bearing Ratio (CBR) on a compacted soil sample into an StandardCBR mould. The DP energy was given by a mass of 8 kg freefall of 57,5cm, driving a conical tip of 60º IDand 2cm² bases. The tested soil was calcareous sandy silt mixed with crushed weak rock of the same type.Different percentages of fraction retained in Nº 4 sieve, dry densities and moulding water content were used,measuring CBR and DN on the same test sample. Following this procedure was possible to stablish thecorrelation CBR vs DN. It was observed that the water content has the main control in the correlation. Havinga calibrated DP for a giving type of soil, it could be used in the field to estimate the CBR of a compacted soillayer.

Key Words: calibration - penetrometer - correlation - penetration - California Bearing Ratio



1 INTRODUCCIÓN

El Penetrómetro de cono, extensamente utilizadotanto por su antigüedad como por número de países,ha constituido una herramienta sencilla para evaluarla compasidad o resistencia de los materiales en unperfil de suelos sin cementar.Actualmente a los penetrómetros se los clasifica enlivianos, medianos, pesados y superpesados. El

utilizado en el presente trabajo es del tipo liviano, deaccionamiento manual y de alcance entre cero y dosmetros de profundidad. Estas condiciones lo haríanapto para la evaluación del Valor Soporte delTerreno natural de la traza de obras lineales comocaminos, canales, terraplenes, etc. (Fig. 1).De contarse con un penetrómetro dinámico liviano,DPL, calibrado respecto a Valor Soporte Relativo,VSR o CBR, de un tipo de suelo representativo deuna región, el cual es utilizado como materialseleccionado para construcción del paqueteestructural, podría determinarse el VSR de cada capacompactada de manera rápida, sencilla y confiable,manejando un número elevado de valores obtenidosen campo.

En el caso de obras viales que hayan cumplido suvida útil de servicio, el DPL podría indicar el estadoactual de la estructura y proveer de información parael tipo de refuerzo más adecuado (Gráf. 9 y Foto11).De acuerdo a lo manifestado, se inicia un trabajo decalibración de un DPL en Laboratorio y luego suaplicación en Campo.

2 DESARROLLO

2.1 Bibliografía y antecedentes:

La bibliografía disponible sobre penetrómetrosdinámicos es extensísima donde las primeraspresentaciones a Congresos datan del 1970 enadelante, las que tratan de tipos de DP, valoresobtenidos en distintos tipos de suelos,interpretaciones de resultados, etc.El manual “Prove Geotecniche in sito” de F. Cestari,1990, actualiza los conocimientos y normaliza losensayos de acuerdo al I.S.S.M.F.E. (Int. Soc. Soil

Mech. Found Eng.), ha sido el manual de cabecerapara este trabajo.

2.2 Materiales y métodos:

En la región Sur-Suroeste de la Pcia. de BuenosAires, Este de La Pampa y Noreste de Río Negro,afloran sedimentos de la Fn. Pampeano compuestode limos y arenas finas con variable contenido decarbonato de calcio. Dentro del paquetesedimentario de origen eólico se intercalan capascementables siendo la más superficial el nivel más

resistente, conocido como “encape de tosca” de unoa tres metros de espesor y con resistencias acompresión simple entre 50-400 Kg/cm2 (Foto 12).Material de esta Formación se utiliza en toda obra desuelo como rellenos, terraplenes de caminos y delFFCC, etc. como material seleccionado. En cantera,los niveles más cementados se trituran y se mezclancon el fino, deleznable, en distintas proporcionessegún requerimientos en obra (Gráf. 7).En este trabajo, se preparan dosages con unafracción “gruesa”, partículas retenidas en el tamiz

#4, y el “fino”, pasa tamiz #4. Cada una de lasdistintas mezclas se compactan a la misma densidadseca, variando el contenido de humedad, ambos enun entorno a la densidad seca máxima y a lahumedad óptima (Foto 1).La compactación se realiza manualmente dentro deun molde de los utilizados para Valor Soporte, encinco capas, utilizando toda su altura (17.8 cm). Lasfracciones en cada tamiz del “grueso” se pesan paraagregar al “fino” según el dosage adoptado; seagrega el agua, se mezcla y se masera por un día(Fotos 1, 2, 3 y 4).En el armado de la probeta, se pesa la cantidad degrueso y fino necesaria para una capa controlando elespesor de la misma, al ser compactada.La probeta se la penetra con el pistón de ValorSoporte, de acuerdo a norma y se obtiene el VSR.Luego la probeta se penetra con el DPL registrando

los milímetros penetrados por cada golpe. Delgráfico penetración-golpe se obtiene DN (mm/golpe),índice que se correlaciona con el VSR (Fotos 4, 5, 6,7, 8 y 9 - Gráf. 5 y 6).Finalizado el ensayo, se desmolda la mezcla y todoel material se seca al horno y se calcula la humedad.Los Gráficos 8 y 9 ejemplifican la presentación delos resultados.



3

RESULTADOS Y DISCUSIONESLos dosages de gruesos y finos en el armado deprobetas cubren un amplio rango de variación demateriales provenientes de cantera, siendo estos unretenido en tamiz #4 de 70%, 60%, 50%, 30% y 0%.El rango de densidad seca fue de 1.65 g/cm3 a 1.83g/cm3. Las humedades de moldeo variaron del 8% al21% (Gráf. 5.1).Atento a que en el armado de las probetas y de susensayos hubo un estricto control de todas lasvariables como granometrías, densidades secas,humedad de mezclado, espesor de capa compactada,velocidad de penetración del pistón de ValorSoporte, etc., se observa que con distintos dosages y

densidades es posible obtener VSR variables entre 5y 80%. Estos resultados pueden observarse en losGráf. 1, 2, 3, 4 y 5.1. En el Gráf. 8 donde secorrelaciona VSR vs Humedad, se observa que esesta última la variable que más influencia al VSR.En principio podría pensarse que una probeta conestructura de material clasto soportado, partículasgruesas todas en íntimo contacto, donde los finosrellenan los poros, debería entregar el VSR más altoposible. El arreglo en el estado denso de la fraccióngruesa deja un volumen de vacíos próximo al 40%,luego el mejor dosage el de 60% retenido en tamiz#4, lo cual no se cumple estrictamente.Ahora bien, es sabido que la resistencia de los suelos

es función de la deformación especialmente cuandoestán confinados y con sobrecarga, tal como lasprobetas en el molde VS donde la deformación es detan solo una décima de pulgada. El valor obtenidopuede variar ampliamente si debajo del pistón depenetración están presentes ninguna o variaspartículas gruesas que componen al suelo. Estasituación podría ser responsable de la dispersión devalores en el gráfico VSR vs. DN. (Gráf. 8 y 9).Actualmente en obra se controla la densidadalcanzada por compactación, valores que seinterpreta correlacionable con un VSR obtenido enLaboratorio con un material algo parecido alcolocado en obra. Así con pocos puntos de controlse evalúa la calidad del trabajo realizado.Parecería más adecuado el uso de un DPL paradeterminar el VSR del material utilizado en obraevaluando en forma más estadística al controlnecesario de la obra. El trabajo demuestraclaramente que el VSR más alto se obtienecompactando a menor humedad que la óptimaindicada por el ensayo Proctor lo cual concuerda conel criterio de que la resistencia de los suelos dependede su contenido de agua.

4

APLICACIONESLos últimos trabajos en evaluación de caminos conel DPL fueron realizados en el 2008 y 2009, para laDirección de Vialidad Nacional, Distrito 19, BahíaBlanca.Sobre la Ruta 228, Tres Arroyos – Necochea, tramode 143 kilómetros, se efectuó un ensayo depenetración cada 3 kilómetros, en unas 15 horas detrabajo de campo. Los resultados definieron lospuntos o tramos con VSR no adecuados.En la Ruta 35, entre Bahía Blanca y el límite con laProvincia de La Pampa, tramo de 125 kilómetros, seensayó cada 3 kilómetros con una duración de 10horas de trabajo de campo. El DPL definió los 40

kilómetros de ruta en condiciones no adecuadas(Gráf. 10).Otras rutas se estudiaron utilizando en cada punto unDPL, un densímetro nuclear con fuente de rayos yneutrones, y tomando muestras del paqueteestructural.

5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

- Emplear los DPL en el control de VSR encampo.

- Calibrar los DPL con los suelos regionales quese emplean en obra.

- Compactar a menor humedad que la óptimaincrementando la energía de compactación.

- La utilización del DPL permite obtenerrápidamente un número importante de valoresy evaluar en forma estadística.

- Con el tipo de material ensayado VSR altos seobtiene si DN = 1-2 mm/golpe.

- Para cualquiera de los dosages, una variacióndel contenido de humedad del 5% varía elVSR entre 10% y 75%.

- Para VSR superiores al 50%, la humedad decompactación debe ser menor al 12% para lossuelos estudiados.

- El DPL puede indicar el espesor de cada capadel paquete estructural y puede definir el VSR

del núcleo del terraplén o sector de banquina.- En la etapa de estudio y proyecto determinaría

el VSR de los materiales de la traza lo cualpermitiría reducir el número de calicatas,ensayos de laboratorio, sectorizar, evaluarmateriales sueltos, escarificables o empleo devoladura, etc.

- El laborioso control de densidad en obrapermitiría interpretar el VSR alcanzado. ElDPL entrega directamente el VSR in situ.



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AGRADECIMIENTOSEl trabajo de calibración del DPL fue posibledesarrollarlo debido a la colaboración y entusiasmoentregado por personas de los distintos claustros dela UTN Facultad Regional Bahía Blanca a quienesse les agradece profundamente.Cabe mencionar al Dr. Ing. Eduardo Bambill,Director del Departamento de Ingeniería Civil porsus palabras de aliento y supervisión en el desarrollode las tareas.A los becarios del laboratorio Ing. Juan Rodrigues,Gabriel Adema y Damián Alonso por participar entodas las tareas, gráficos, fotos y demás aspectos.Al Lic. En Org. Ind. Roberto Verna, Director de la

Dirección de Vinculación Tecnológica, por brindarlos fondos necesarios en todas las etapas delpresente trabajo.Finalmente se agradece a los directivos de laDirección Nacional de Vialidad, Distrito 19, BahíaBlanca, por permitir el uso del DPL en la evaluacióndel estado de rutas en su jurisdicción.

7 ANEXOS

A continuación se detalla la siguiente informaciónen Anexo adjunto:

- Figuras.- Gráficos.- Fotos

7.1 Figuras:

7.2 Gráficos

Gráfico 1. Correlación VSR vs DN para distintosdosajes y densidades.






Gráfico 5.1. Relaciones entre V.S.R., Densidad yHumedad para distintos dosajes.

Ejemplo de Ensayo sobre dosaje determinado:

Datos ensayo: se utilizaron 6 kg. de suelo seco.- Dosaje N°: 2- Humedad: % = 10 (teórica). - Densidad: = 1,70 g/cm3- Cantidad: N°: 2- Mezcla: Pasa Tamiz #4: 50%

Retenido Tamiz #4: 50%

Valores Ensayo VSR

Penetracióndel pistón

64 127 190 254 317 381

Divisiones 12 19 24,5 29 34 37,5

σ 10,32 16,34 21,07 24,94 29,24 32,25

Penetracióndel pistón

444 508 762 1016 1270

Divisiones 41 44,5 57 66 74,5

σ 35,26 38,27 49,02 56,77 64,08

- Karo = 16,64 Kg/div A pistón= 19,347 cm²- V.S.R (1era Penetración) = 37,06- V.S.R (2da Penetración) = 36,43

Valores Ensayo Penetración

0,7 1,4 1,9 2,5 3 3,5 4 4,6 5,3 5,9 6,5

7 7,6 8,2 8,8 9,4 10 10,5 11 11,7 12,5 13,1

A continuación se adjuntan los gráficoscorrespondientes al ensayo detallado como ejemplo:



MuestraN°:

Prof.Muestra:

GRUESA

GRAVA ARENALIMO (no plástico) A ARCILLA (plástica)

GRUESA FINA FINAMEDIA

TAMIZADO

ABERTURAS CUADRADAS SERIE U.S. STANDARDANALISIS HIDROMETRICO

PROYECTO

DPL

0-12m.

CAMPO

DEMATERIALESUTILIZAD

OS:limosarenososcalcáreos+Tosca

1-2-3-4

Lugar:

Fecha:

MuestreoencanaletadelFren

tedeCanteraGru

2009-2010

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

P o r c e n t a j e q u e p a s a

Pasa #4

3/4-#4

30G - 70F

60G - 40F

3" 2" 1½" 1" ¾"5 / 8"

3 / 8" 4 8 10 16 20 30 40 50 60 100 200 270

50 5 0,5 0,05 0,00510 1 0,1 0,01100 Diámetro de las partículas ( mm.)

CAMPO DE

MATERIALES

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Penetración en mm.

C a r g a u n i t a r i a σ

Gráfico Nº 5: Moldeo de Probeta – Ensayo VSR

DN = mm = 92 = 5,75golpes 16

Gráfico Nº 6: Moldeo de Probeta – Ensayo DPL

Gráfico Nº 7: Curvas Granométricas Límites

V.S.R (Promedio) aprox. 37%ω%= 11,20



CURVA DE CALIBRACIÓN, UTN

0

20

40

60

80

100

120

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Humedad (%)

V . S . R

( % )

R 70% - P 30%

R 60% - P 40%

R 50% - P 50%

R 30% - P 70%

R 0,0% - P 100%

Tendencia

Gráfico 8. Correlación Valor Soporte vs Humedad(Mayo 2010).

CURVA DE CALIBRACION, UTN

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16DN (mm/golpe)

V . S . R

( % )

R 70% - P 30%

R 60% - P 40%

R 50% - P 50%

R 30% - P 70%

R 0,0% - P 100%

ASTM D6951-03

Univ. Rosario

UTN frbb

Gráfico 9. Correlación Valor Soporte vs Dn (Mayo2010)

Gráfico 10. Aplicación del DPL

USO DEL DPLRuta Nacional Nº 35

Tramo Km 8 a Km 125

10 20 30 40 50 60 70 80 100 110 120 13090

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0

0

Sector Doble Carpeta AsfálticaProgresiva (Km.)

80

60

40

30

20

10

m m t o

t a l e s / n º g o l p e s

t o t a l e s ,

D N T

Evaluación del V.S.R de Base - Subbase con DPL calibrado para materiales granulares gruesos.Junio 2009

V a l o r V S

R

( o b t e n i d o e n f u n c i ó n

d e G r á f i c o d e

R e l a c i ó n V S R

- D N T )



7.3 Fotos:

Foto 1. Materiales utilizados para los ensayos.

Foto 2. Ensayo VSR: Molde Estándar utilizado.

Foto 3. Ensayo VSR: Compactación de la Probeta.

Foto 4. Ensayo VSR: Vista de la probeta moldeada.

Foto 5. Ensayo VSR: Comienzo del ensayo.

Foto 6. Ensayo VSR: Ensayo de Penetración



Foto 7. Penetración con DPL: Vista del equipo.

Foto 8. Penetración con DPL: Vista del equipo

Foto 9. Penetración con DPL: Vista de la probetaluego de finalizar el ensayo.

Foto 10. Penetración con DPL: Vista de puntacónica y rosca de conexión.

Foto 11. Penetración con DPL: Aplicación.



Foto 12. Perfil Suelo “Encape de Tosca”. Av.Sarmiento, Bahía Blanca.

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