Vallores Aproximados Del Suelo

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

OBTENCIN DE PARMETROS GEOMECNICOS A PARTIR DE ENSAYOS A PENETRACIN DINMICA CONTINUA EN SUELOS MIXTOS COHESIVOS

- GRANULARES

1. INTRODUCCIN La redaccin de este captulo nace de la creciente necesidad de obtener parmetros geomecnicos del terreno a partir de ensayos en consonancia con los medios actuales. En la actualidad existen numerosas correlaciones para la obtencin de dichos parmetros, 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 crticas acerca de las mismas y metodologas propuestas para diferentes naturalezas de suelo. En la actualidad, los ensayos a penetracin dinmica continua representan una importante fuente de datos acerca de la resistencia del terreno. No slo por su bajo coste, sino adems 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 penetracin de un suelo. Por tanto, estos ensayos nos aportan una gran cantidad de informacin frente a otros ensayos (presimetros, 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 podran corresponder con los parmetros reales del terreno.

Obtencin de parmetros geomecnicos a partir de ensayos a penetracin dinmica 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 obtencin de parmetros geomecnicos, tales como la resistencia a la penetracin dinmica, densidad relativa (Dr), ngulo de rozamiento, compresin simple, cohesin, presin lmite, etc. 2. ANTECEDENTES En primer lugar, cabra exponer las correlaciones que hagan posible la unificacin de resultados mediante los distintos tipos de penetrmetros. Posteriormente habra que cuantificar de manera aproximada un comportamiento mixto del suelo desde la perspectiva de los parmetros resistentes, es decir, con una cohesin y un ngulo de rozamiento interno lo suficientemente importantes como para que ambos sean tenidos en cuenta. El lmite est sometido a una gran diversidad de variables, tales como lmites de Atterberg, humedad natural, densidad relativa, presin de tierras, granoseleccin, etc., de tal forma que sus acotaciones sern condicionadas tanto a estos parmetros como a la disponibilidad de datos a los que se ha tenido acceso, pero como una primera aproximacin el comportamiento aqu descrito oscilara entre 30 y 50 % de partculas que pasan por el tamiz 0,08 mm. 2.1. Correlaciones entre los distintos ensayos a penetracin dinmica Las equivalencias entre los diferentes ensayos aqu expuestos parten de una frmula bsica enunciada por Esop (1974), y que establece una relacin de semejanza entre la energa 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 = Nmero de golpes en el ensayo con el penetrmetro tipo i. D = Penetracin correspondiente al nmero de golpes Ni. Ai = rea de la seccin transversal de la punta del penetrmetro i. Wi = Peso de la maza Hi = Altura de cada del ensayo i. Una de las correlaciones ms empleada, es aquella que correlaciona el standard penetration test (SPT) con el ensayo tipo tipo Borro propuesta por Dhalberg (1974) y modificada posteriormente por Jimnez 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 nmero 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. Obtencin de la densidad relativa a partir del ensayo SPT Para la obtencin de dicho parmetro en suelos granulares, en el presente artculo se relaciona la densidad relativa con el parmetro NSPT, segn los autores citados a continuacin:


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Hunt propone una correlacin 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 frmula 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 relacin a NSPT suponiendo una densidad aparente de 1,9 g/cm3, con una presin 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 presin intersticial nula, en el caso de la aplicacin de las frmulas de Schutze y Meyer en 1965, as como los valores obtenidos por Hunt expuestos en la Tabla 1.

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


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

2.3. Determinacin del ngulo de rozamiento interno por diversos mtodos En este apartado se recopilan diversas frmulas de obtencin del ngulo de rozamiento interno segn varios autores. Meyerhof:

( = 25 + 0,15 Dr) (5)

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

Osaki:

( = (20 NSPT)0,5 + 15) (6)

Shmertmann:

= 24 + (4 Ln (Pl/b)/0,693) (7)

donde: Pl es la presin lmite, que se obtiene de dividir la resistencia a penetracin esttica (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, est en funcin del tamao de grano. Los valores n se sitan en torno a 2,5 para arenas ligeramente limosas, 2 para arenas limosas, as como 1,25 para limos arenosos. El parmetro b se refiere al coeficiente propuesto por Mller (1970), tomando el valor de 2,5. Para limos arenosos, la frmula del ngulo de rozamiento interno en funcin de NSPT quedara:

= 24 + 5,77 Ln(0,1667 NSPT) (7b)

El procedimiento ms reciente nombrado en este estudio, ha sido el propuesto para la relacin golpeo/ ngulo de rozamiento a travs de la ecuacin enunciada por Terzaghi, Peck y Mesri en 1996. En la Fig. 2 se observan los resultados del ngulo de rozamiento interno con diferentes mtodos.


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Figura 2. Relacin entre NSPT y el ngulo de rozamiento interno.

2.4. Obtencin de la cohesin La cohesin puede estimarse a partir del crculo de Mohr, conocidos los valores de resistencia a compresin simple, presin intersticial y el ngulo de rozamiento interno, tal y como se muestra en la Fig. 3.

Figura 3. Crculo de Mohr.


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Partiendo de la ecuacin mediante la cual se obtiene el criterio de rotura, se determina el valor de la cohesin:

= cu+ (n u) tan u (9) La resistencia a compresin simple ha sido obtenida mediante una tabla enunciada por Hunt, Tabla 2, mediante las que se relaciona el nmero de golpeo medio NSPT con la resistencia a compresin 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 compresin simple en funcin de NSPT.


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3. RESULTADOS OBTENIDOS En la Tabla 3 se pueden observar los valores de ngulo de rozamiento interno (u) y cohesin (cu) obtenidos en ensayos de corte directo en condiciones UU, as como los parmetros de porcentaje en finos (% 0,08), ndice de plasticidad (IP), lmite lquido (LL) y NSPT en diferentes facies de la geografa peninsular. Para la elaboracin 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 anmalos.

TABLA 3.

MATERIAL u 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 arcsica Escalona 1 41,7 0,32 31 14 33 50 T Facie arcsica 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 yesferas 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 Arcsicas Carabanchel 44 0,26 27,5 17,1 30,8 23 T Arena de Miga 30,6 0,47


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4. CONCLUSIONES FINALES A PARTIR DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS DE LA COMPARACIN DE METODOLOGAS

4.1. Conclusiones acerca de los mtodos de obtencin 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 ms altos que los obtenidos por Schultze y Meyer en 1965. En vista de utilizar siempre el valor ms conservador a efectos de seguridad, es ms recomendable la utilizacin de la frmula propuesta por los dos ltimos autores aqu mencionados:

Dr = 0,317 log N 0,22 p0+ 0,392 0,067 (4)

4.2. Conclusiones acerca de la determinacin del ngulo de rozamiento interno por diversos mtodos

En la Fig. 5 se han representado las correlaciones propuestas por Osaki, Meyerhof, y Schmertmann (en funcin del factor n). Adems, se han aadido los resultados obtenidos de algunas facies espaolas para suelos mixtos, de las cuales se obtiene la siguiente regresin logartmica:

= (3,621 (Ln (NSPT))+20,58 (10)

Figura 5. Relacin entre el NSPT y el ngulo de rozamiento interno.


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

= 5,35 Ln (NSPT) + 14,44 (11)

Los valores de ngulo de rozamiento obtenidos por dicha ecuacin son conservativos en relacin al resto de las curvas propuestas por los autores aqu mencionados, con lo que dicha ecuacin se situara por el lado de la seguridad y se adaptara mejor a suelos de carcter mixto, en los cuales el alto contenido en finos reduce sustancialmente el ngulo de rozamiento.

Figura 6. Relacin entre el NSPT y el ngulo de rozamiento interno.

4.3. Conclusiones acerca de la obtencin de la cohesin En el presente artculo, procediendo segn nuestro el criterio de aplicacin del valor ms conservador, se ha determinado la cohesin partiendo de las siguientes premisas:


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Partiendo de la ecuacin del criterio de rotura, se determina el valor de la cohesin en condiciones no drenadas:

= Cu+ (n u) tan u (12)

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

Finalmente el clculo de la cohesin se obtiene a partir de la correlacin entre los datos aportados en

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

Cu = 0,22 Ln (NSPT) 0,40 (13)

Figura 7. Relacin entre el NSPT y la cohesin, Cu.


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5. RESUMEN Y CONCLUSIONES Es necesario tener muy presente que los parmetros de corte de un suelo dependen de una serie de factores tales como el porcentaje en finos y la dispersin de tamao de gruesos, la estructura de los granos, plasticidad, humedad, y composicin qumica, 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 frmulas empricas propuestas en el presente texto no son ms que aproximaciones. Sin embargo, dada la gran cantidad de informacin aportada por los ensayos a penetracin dinmica continua, stos pueden considerarse como ms representativos que los obtenidos mediante ensayos puntuales.

= 5,35 Ln(NSPT) + 14,44 (14)

Cu = 0,22 Ln(NSPT) 0,40 (15) 6. RECONOCIMIENTOS La realizacin del presente artculo ha sido posible gracias a los datos aportados por las empresas SONDEOS GEOTEST (Madrid), ASG-GEOTECNIA (Madrid), as como a sus medios fsicos y humanos. 7. BIBLIOGRAFA CAMBEFORT, H. (1971). : Introdution la Geotecnique. Editions Eyrolles. Paris. DUCH MARTINEZ, C. (1999).: Mtodos de Investigacin en suelos. Jornadas Tcnicas de Taludes y

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

rocas). Editorial Rueda. Madrid. JIMNEZ SALAS, J.A., DE JUSTO, J.L. y SERRANO, A.A.: Geotecnia y Cimientos II (Mecnica del

suelo y de las rocas. Editorial Rueda. Madrid. RODRGUEZ ESCRIBANO, R. (2003).: Aplicacin de los ensayos de penetracin dinmica en

estudios geotcnicos. GEOPRIN. Madrid. SOWERS, GEORGE F.: Introductory Soil. Mechanics & Foundations. Collier Macmillan International

Editions.


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1. INTRODUCCIN.................................................................................................................................. 1 2. ANTECEDENTES ................................................................................................................................ 2

2.1. Correlaciones entre los distintos ensayos a penetracin dinmica.............................................. 2 2.2. Obtencin de la densidad relativa a partir del ensayo SPT ......................................................... 2 2.3. Determinacin del ngulo de rozamiento interno por diversos mtodos...................................... 4 2.4. Obtencin de la cohesin ............................................................................................................ 5

3. RESULTADOS OBTENIDOS............................................................................................................... 7 4. CONCLUSIONES FINALES A PARTIR DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS DE LA COMPARACIN DE METODOLOGAS .............................................................................................. 8

4.1. Conclusiones acerca de los mtodos de obtencin densidad relativa a partir del ensayo SPT. 8 4.2. Conclusiones acerca de la determinacin del ngulo de rozamiento interno por diversos mtodos ....................................................................................................................................... 8 4.3. Conclusiones acerca de la obtencin de la cohesin .................................................................. 9

6. RECONOCIMIENTOS........................................................................................................................ 11 7. BIBLIOGRAFA .................................................................................................................................. 11

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