ingeoter.9

Francisco PARRA IDREOS. SONDEOS GEOTEST Lorenzo RAMOS MORILLAS. ASG – GEOTECNIA

OBTENCIÓN DE PARÁMETROS GEOMECÁNICOS A PARTIR DE ENSAYOS A PENETRACIÓN DINÁMICA CONTINUA EN SUELOS MIXTOS COHESIVOS

- GRANULARES

1. INTRODUCCIÓN La redacción de este capítulo nace de la creciente necesidad de obtener parámetros geomecánicos del terreno a partir de ensayos en consonancia con los medios actuales. En la actualidad existen numerosas correlaciones para la obtención de dichos parámetros, tales como las propuestas por Dhalberg (1974), Hunt (1984), Shulze y Meyer (1965), Thornburn 1963, Terzaghi Peck y Mesri (1996), Meyerhof (1958), Schmertmann (1977), pero pocas son las críticas acerca de las mismas y metodologías propuestas para diferentes naturalezas de suelo. En la actualidad, los ensayos a penetración dinámica continua representan una importante fuente de datos acerca de la resistencia del terreno. No sólo por su bajo coste, sino además por la alta representatividad que poseen los resultados obtenidos para suelos granulares y mixtos. Se trata de ensayos continuos donde cada 20 cm se cuantifica la resistencia a la penetración de un suelo. Por tanto, estos ensayos nos aportan una gran cantidad de información frente a otros ensayos (presiómetros, SPT, ensayos de laboratorio, etc.), que suelen presentar dos inconvenientes. Por un lado, su elevado coste y, por otro lado, su baja representatividad, donde en algunos casos se obtienen unos valores que dudosamente podrían corresponder con los parámetros reales del terreno.

Obtención de parámetros geomecánicos a partir de ensayos a penetración dinámica continua en suelos mixtos cohesivos - granulares

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Por todo ello, en el presente articulo hemos recopilado las diferentes correlaciones existentes para la obtención de parámetros geomecánicos, tales como la resistencia a la penetración dinámica, densidad relativa (Dr), ángulo de rozamiento, compresión simple, cohesión, presión límite, etc. 2. ANTECEDENTES En primer lugar, cabría exponer las correlaciones que hagan posible la unificación de resultados mediante los distintos tipos de penetrómetros. Posteriormente habría que cuantificar de manera aproximada un comportamiento mixto del suelo desde la perspectiva de los parámetros resistentes, es decir, con una cohesión y un ángulo de rozamiento interno lo suficientemente importantes como para que ambos sean tenidos en cuenta. El límite está sometido a una gran diversidad de variables, tales como límites de Atterberg, humedad natural, densidad relativa, presión de tierras, granoselección, etc., de tal forma que sus acotaciones serán condicionadas tanto a estos parámetros como a la disponibilidad de datos a los que se ha tenido acceso, pero como una primera aproximación el comportamiento aquí descrito oscilaría entre 30 y 50 % de partículas que pasan por el tamiz 0,08 mm. 2.1. Correlaciones entre los distintos ensayos a penetración dinámica Las equivalencias entre los diferentes ensayos aquí expuestos parten de una fórmula básica enunciada por Esop (1974), y que establece una relación de semejanza entre la energía de la hinca en los ensayos a correlacionar, en la carencia de circunstancias que alteren esta similitud:

N1· (W1· h1/d1· A1) = N2(W2· h2/d2· A2) (1) donde: Ni = Número de golpes en el ensayo con el penetrómetro tipo “i”. D = Penetración correspondiente al número de golpes Ni. Ai = Área de la sección transversal de la punta del penetrómetro “i”. Wi = Peso de la maza Hi = Altura de caída del ensayo “i”. Una de las correlaciones más empleada, es aquella que correlaciona el standard penetration test (SPT) con el ensayo tipo tipo Borro propuesta por Dhalberg (1974) y modificada posteriormente por Jiménez Salas, J.A., Justo J.K. y Serrano,A. (1981), quienes propusieron dos correlaciones:

Log(NB) = 0,035 · NSPT +0,668 ± 0,044 (2)

NSPT = 25,0 · log(NB) – 15,16 ± 1,16 (3) donde NB es el número de golpeo obtenido cada 20 cm en un ensayo tipo Borro y siendo NSPT el golpeo estimado cada 30 cm en un ensayo de tipo SPT. 2.2. Obtención de la densidad relativa a partir del ensayo SPT Para la obtención de dicho parámetro en suelos granulares, en el presente artículo se relaciona la densidad relativa con el parámetro NSPT, según los autores citados a continuación:


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• Hunt propone una correlación basada en la Tabla 1:

TABLA 1.

DENSIDAD RELATIVA NSPT < 0,15 < 4

0,15-0,35 4 - 10 0,35-0,65 10 - 30 0,65-0,85 30 - 50

0,85-1 > 50 • Schultze y Meyer (1965) obtienen una fórmula en la que correlacionan la densidad relativa Dr, y el

golpeo NSPT:

Dr = 0,317· log(NSPT)–0,22· p0´+ 0,392 ± 0,067 (4)

En la Fig. 1 se representan valores de densidad relativa en relación a NSPT suponiendo una densidad aparente de 1,9 g/cm3, con una presión vertical efectiva de 0,093 bares (0,5 m de profundidad), 0,186 bares (1 metro de profundidad) y 0,372 bares (2 m de profrofundidad), suponiendo una presión intersticial nula, en el caso de la aplicación de las fórmulas de Schutze y Meyer en 1965, así como los valores obtenidos por Hunt expuestos en la Tabla 1.

Figura 1. Relación entre el NSPT y la densidad relativa.


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• Terzaghi propone una serie de curvas en las que relaciona el índice de densidad con el golpeo SPT y son recogidas por Thorburn en 1963, para una presión de tierras de 0,093, 0,186 y 0,372 bares, Fig. 1.

2.3. Determinación del ángulo de rozamiento interno por diversos métodos En este apartado se recopilan diversas fórmulas de obtención del ángulo de rozamiento interno según varios autores. • Meyerhof:

(φ = 25 + 0,15· Dr) (5)

para más de un 5 % de arena fina y limo, estimando la densidad relativa a partir de la fórmula propuesta por Schultz y Meyer (fórmula 4), suponiendo una presión vertical efectiva de 0,38 bar, correspondiente con 2 metros de profundidad en ausencia del nivel freático.

• Osaki:

(φ = (20· NSPT)0,5 + 15) (6)

• Shmertmann:

φ = 24 + (4· Ln (Pl/b)/0,693) (7)

donde: Pl es la presión límite, que se obtiene de dividir la resistencia a penetración estática (qc) por 3, y a su vez esta resistencia se relaciona con NSPT, de forma que:

(Qc = n· NSPT) (8)

El factor n propuesto por Schmertmann en 1970, está en función del tamaño de grano. Los valores n se sitúan en torno a 2,5 para arenas ligeramente limosas, 2 para arenas limosas, así como 1,25 para limos arenosos. El parámetro b se refiere al coeficiente propuesto por Müller (1970), tomando el valor de 2,5. Para limos arenosos, la fórmula del ángulo de rozamiento interno en función de NSPT quedaría:

φ = 24 + 5,77· Ln(0,1667· NSPT) (7b)

El procedimiento más reciente nombrado en este estudio, ha sido el propuesto para la relación golpeo/ ángulo de rozamiento a través de la ecuación enunciada por Terzaghi, Peck y Mesri en 1996. En la Fig. 2 se observan los resultados del ángulo de rozamiento interno con diferentes métodos.


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Figura 2. Relación entre NSPT y el ángulo de rozamiento interno.

2.4. Obtención de la cohesión La cohesión puede estimarse a partir del círculo de Mohr, conocidos los valores de resistencia a compresión simple, presión intersticial y el ángulo de rozamiento interno, tal y como se muestra en la Fig. 3.

Figura 3. Círculo de Mohr.


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Partiendo de la ecuación mediante la cual se obtiene el criterio de rotura, se determina el valor de la cohesión:

τ = cu+ (σn – u) · tan φu (9) La resistencia a compresión simple ha sido obtenida mediante una tabla enunciada por Hunt, Tabla 2, mediante las que se relaciona el número de golpeo medio NSPT con la resistencia a compresión simple, tanto para suelos arenosos como para suelos arcillosos.

TABLA 2.

NSPT qu arenas 4 0,02

10 0,11 30 0,29 50 0,51

NSPT qu arcillas 2 0,027 5 0,055

15 0,22 25 0,4

MPa Dichos valores quedan representados en la Fig. 4.

Figura 4. Resistencia a compresión simple en función de NSPT.


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3. RESULTADOS OBTENIDOS En la Tabla 3 se pueden observar los valores de ángulo de rozamiento interno (φu) y cohesión (cu) obtenidos en ensayos de corte directo en condiciones UU, así como los parámetros de porcentaje en finos (% 0,08), índice de plasticidad (IP), límite líquido (LL) y NSPT en diferentes facies de la geografía peninsular. Para la elaboración de las ecuaciones finales obtenidas se han tomado las muestras de facies con un contenido en finos entre el 27 y el 50 %, con un filtrado de datos con valores anómalos.

TABLA 3.

MATERIAL φu cu % 0,08 IP LL NSPT Q Aluvial Salamanca 1 31,5 0,1 37,5 21,4 34,7 15 Q Aluvial Salamanca 2 30,6 0,34 38,1 22,9 33,6 12 T Facie arcósica Escalona 1 41,7 0,32 31 14 33 50 T Facie arcósica Escalona 2 35,5 0,61 40,7 21 36 50 Q Vega alta del Segura 31 0,117 24 6,2 25,8 - Q Vega alta del Segura 23,5 1,51 55 11,5 31,8 - Q Arenas costeras Gandia 2 32 - 35,5 - - 16 Q Arenas yesíferas S.de Reclot 26 0,5 22 - - - Q Coluvial S. Bernia 31 0,6 21,8 12,2 29,3 - Q Mud Flow Andorra 24,2 0,25 41,4 14 - - T Arenas Arcósicas Carabanchel 44 0,26 27,5 17,1 30,8 23 T Arena de Miga 30,6 0,47 <35 12 34 28 T Olías del Rey 1 28,2 0,56 20,9 N.P. N.P. 24 T Olías del Rey 2 27,4 0,67 33,4 12,9 33,4 24 T Arena Tosquiza 33,8 0,36 - 14,5 38,6 45 Q Ibi 21 1,45 - - - - T Detrítico Arganda del Rey 2 30 0,73 44,9 20,2 44,2 20 Q Aluvial Arganda del Rey 1 25,1 0,67 26,3 - - 26 Arena de Miga – Boadilla 2 33,4 0,46 20,3 16,1 41,4 23 Arena Tosquiza – Boadilla 1 29,5 0,82 36,9 13 39 36 Arena Tosquiza – Boadilla 2 34,5 0,36 36,3 11,8 32 35,4 T Ávila 1 29,9 0,37 38,5 - - 25 T Ávila 2 34,2 1,75 52,7 - - 45 Q Aluvial Ávila 26,1 0,82 23,2 N.P. N.P. 35 T Medina del Campo 33,8 0,12 12,1 9,3 32,2 15,6 Arena Miga * 33,5 0,39 28 15,5 33 33 Tosco * 32 0,53 49 23 47 38 Quater MD * 29,6 - 45 19 41 34,8 Unidades º kg/cm2 % % % Golpes

Datos de ángulo de rozamiento y cohesión en condiciones no drenadas mediante ensayo de corte directo tipo UU. Se han empleado para las correlaciones los datos en color negro. * Datos editados por ALAMEDA 1981, en el magna 1:50.000, Hoja 534.


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4. CONCLUSIONES FINALES A PARTIR DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS DE LA COMPARACIÓN DE METODOLOGÍAS

4.1. Conclusiones acerca de los métodos de obtención densidad relativa a partir del ensayo

SPT Como puede observarse en la Fig. 1, los datos determinados por Hunt para un mismo golpeo son considerablemente más altos que los obtenidos por Schultze y Meyer en 1965. En vista de utilizar siempre el valor más conservador a efectos de seguridad, es más recomendable la utilización de la fórmula propuesta por los dos últimos autores aquí mencionados:

Dr = 0,317· log N – 0,22 · p0´+ 0,392 ± 0,067 (4)

4.2. Conclusiones acerca de la determinación del ángulo de rozamiento interno por diversos métodos

En la Fig. 5 se han representado las correlaciones propuestas por Osaki, Meyerhof, y Schmertmann (en función del factor n). Además, se han añadido los resultados obtenidos de algunas facies españolas para suelos mixtos, de las cuales se obtiene la siguiente regresión logarítmica:

φ = (3,621· (Ln (NSPT))+20,58 (10)

Figura 5. Relación entre el NSPT y el ángulo de rozamiento interno.


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No obstante, dicha ecuación no obtiene valores conservadores para números de golpeo SPT bajos. Combinando la ecuación de Schmertmann (7b), con un factor n de 1,25 para valores de NSPT bajos, con la regresión logarítmica obtenida para las facies españolas con valores NSPT superiores a 25 golpes, se obtiene una nueva ecuación, cuya curva se visualiza en la Fig. 6:

φ = 5,35· Ln (NSPT) + 14,44 (11)

Los valores de ángulo de rozamiento obtenidos por dicha ecuación son conservativos en relación al resto de las curvas propuestas por los autores aquí mencionados, con lo que dicha ecuación se situaría por el lado de la seguridad y se adaptaría mejor a suelos de carácter mixto, en los cuales el alto contenido en finos reduce sustancialmente el ángulo de rozamiento.

Figura 6. Relación entre el NSPT y el ángulo de rozamiento interno.

4.3. Conclusiones acerca de la obtención de la cohesión En el presente artículo, procediendo según nuestro el criterio de aplicación del valor más conservador, se ha determinado la cohesión partiendo de las siguientes premisas:


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• Partiendo de la ecuación del criterio de rotura, se determina el valor de la cohesión en condiciones no drenadas:

τ = Cu+ (σn – u) · tan φu (12)

• Las resistencias a compresión simple obtenidas aplicando el método propuesto por Hunt para un mismo golpeo, son demasiado elevadas para suelos mixtos.

• Finalmente el cálculo de la cohesión se obtiene a partir de la correlación entre los datos aportados en

el presente texto, resultando la siguiente ecuación, Fig. 7:

Cu = 0,22 Ln (NSPT) – 0,40 (13)

Figura 7. Relación entre el NSPT y la cohesión, Cu.


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5. RESUMEN Y CONCLUSIONES Es necesario tener muy presente que los parámetros de corte de un suelo dependen de una serie de factores tales como el porcentaje en finos y la dispersión de tamaño de gruesos, la estructura de los granos, plasticidad, humedad, y composición química, los cuales no se han tenido en cuenta en el presente texto, dada la complejidad del tema, pero esperamos que en un futuro sean objeto de estudio. En consecuencia, debemos concluir que las dos fórmulas empíricas propuestas en el presente texto no son más que aproximaciones. Sin embargo, dada la gran cantidad de información aportada por los ensayos a penetración dinámica continua, éstos pueden considerarse como más representativos que los obtenidos mediante ensayos puntuales.

φ = 5,35 Ln(NSPT) + 14,44 (14)

Cu = 0,22 Ln(NSPT) – 0,40 (15) 6. RECONOCIMIENTOS La realización del presente artículo ha sido posible gracias a los datos aportados por las empresas SONDEOS GEOTEST (Madrid), ASG-GEOTECNIA (Madrid), así como a sus medios físicos y humanos. 7. BIBLIOGRAFÍA • CAMBEFORT, H. (1971). : “Introdution à la Geotecnique”. Editions Eyrolles. Paris. • DUCH MARTINEZ, C. (1999).: “Métodos de Investigación en suelos”. Jornadas Técnicas de Taludes y

Laderas. Madrid. • JIMÉNEZ SALAS, J.A., DE JUSTO, J.L.: “Geotecnia y Cimientos I (Propiedades de los suelos y las

rocas)”. Editorial Rueda. Madrid. • JIMÉNEZ SALAS, J.A., DE JUSTO, J.L. y SERRANO, A.A.: “Geotecnia y Cimientos II (Mecánica del

suelo y de las rocas”. Editorial Rueda. Madrid. • RODRÍGUEZ ESCRIBANO, R. (2003).: “Aplicación de los ensayos de penetración dinámica en

estudios geotécnicos”. GEOPRIN. Madrid. • SOWERS, GEORGE F.: “Introductory Soil. Mechanics & Foundations”. Collier Macmillan International

Editions.


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1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................. 1 2. ANTECEDENTES ................................................................................................................................ 2

2.1. Correlaciones entre los distintos ensayos a penetración dinámica.............................................. 2 2.2. Obtención de la densidad relativa a partir del ensayo SPT ......................................................... 2 2.3. Determinación del ángulo de rozamiento interno por diversos métodos...................................... 4 2.4. Obtención de la cohesión ............................................................................................................ 5

3. RESULTADOS OBTENIDOS............................................................................................................... 7 4. CONCLUSIONES FINALES A PARTIR DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS DE LA COMPARACIÓN DE METODOLOGÍAS .............................................................................................. 8

4.1. Conclusiones acerca de los métodos de obtención densidad relativa a partir del ensayo SPT. 8 4.2. Conclusiones acerca de la determinación del ángulo de rozamiento interno por diversos métodos ....................................................................................................................................... 8 4.3. Conclusiones acerca de la obtención de la cohesión .................................................................. 9

6. RECONOCIMIENTOS........................................................................................................................ 11 7. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 11

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