Aplicación del DCP en el Control de Subrasantes y Terraplenes

APLICACIÒN DEL DCP EN EL CONTROL DE SUBRASANTES Y TERRAPLENES
Ing. Adolfo Frateschi, Universidad Nacional de Córdoba
Dr. Ing. Franco M. Francisca, Universidad Nacional de Córdoba, CONICET
Ing. Lucio Bollano, Universidad Nacional de Córdoba
Ing. Andrés Degoy, Universidad Nacional de Córdoba
Dr. Ing. Alejandro Tanco, Universidad Nacional de Córdoba, Profesor Titular
RESUMEN
El control de densidad y compactación de sub-rasantes y sub-bases de pavimentos es uno
de los factores principales que limitan el avance constructivo de carreteras. En la provincia
de Córdoba generalmente las sub-rasantes y sub-bases se encuentran compuestas por
capas de suelos limosos y limo arenosos compactados (A4-8 según la clasificación HRB).
En este estudio se presenta la potencial aplicación del Penetrómetro Dinámico de Cono
(DCP) para la determinación de densidades y humedades en suelos A4-8 compactados. Se
analiza el efecto de la energía de penetración del DCP, humedad y densidad del suelo en
los resultados obtenidos. A partir de estos resultados, se muestra que es posible obtener
correlaciones muy útiles entre los resultados del DCP y la densidad y humedad del suelo
compactado. Finalmente, se concluye que el DCP proporciona información valiosa que
puede ser utilizada como complemento de los métodos de control de compactación
tradicionales, disminuyendo el tiempo empleado en el control constructivo en las obras de
compactación de suelos.
1. INTRODUCCIÓN
El penetrómetro dinámico de cono (DCP) es una herramienta muy utilizada en la
actualidad para realizar auscultaciones in situ, especialmente en el ámbito de la geotecnia.
Para usos viales, se han desarrollado diferentes correlaciones entre los resultados del DCP
y parámetros característicos del suelo, como el Valor Soporte Relativo (CBR), el Módulo
Resiliente y la Resistencia a la Compresión no Confinada (Angelone et al, 1994; Bessone y
Delprato, 2000). En Sudáfrica, el DCP fue utilizado como una herramienta útil en la medición
de la capacidad estructural del pavimento (Yoder, 1975). En base a ello, se logró desarrollar
un método de diseño y refuerzo de pavimentos basado en esta metodología de auscultación
(Angelone et al, 1994).
La compactación de suelos es de fundamental importancia en las obras viales. En el
presente trabajo se estudia específicamente el control de compactación en suelos limosos
de origen loéssico, muy abundantes en la provincia de Córdoba y toda la región central de la
República Argentina. En las obras viales, los controles de compactación se realizan
generalmente mediante el método del cono de arena. Los resultados que se consiguen con
este ensayo, muchas veces se obtienen en tiempos no compatibles con los plazos de obra.
En algunos casos se utiliza con el mismo objeto un densímetro nuclear. Sin embargo, esta
herramienta es muy costosa y requiere especiales cuidados para su utilización, lo que
desalienta su uso en obras de mediana envergadura. Una alternativa o complemento para
realizar controles de compactación en obra es el DCP. La estimación del peso unitario de un
suelo a partir de una correlación con la penetración del DCP permitiría disminuir los tiempos
en la determinación de pesos unitarios de terraplenes y subrasantes mediante un método
económico y casi no-destructivo. La penetración mediante golpes con el DCP depende de la
densidad relativa de los materiales y el perfil de resistencia del suelo a distintas
profundidades, lo cual se obtiene contando el número de golpes necesarios para penetrar
una distancia determinada.
En este trabajo, se estudia la influencia de la densidad seca con el índice de
penetración obtenido del ensayo DCP. Se analiza la incidencia del tipo de suelo, agua
incorporada y energía de penetración en los resultados obtenidos con el DCP. A partir de los
resultados obtenidos, se puede afirmar que el DCP es muy útil como complemento de un
equipo tradicional, para la determinación de la densidad seca in situ. Este equipo permite
obtener información confiable, con un bajo costo en equipamientos y operacional y de fácil
manejo.
2. MATERIALES Y ENSAYOS
En este trabajo se utilizó un suelo limoso. Con el objeto de conocer las propiedades
físicas del suelo se procedió a realizar los ensayos necesarios para su clasificación, para lo
cual se siguieron los lineamientos de las normas de ensayo ASTM, y los lineamientos de las
Normas de la Dirección Nacional de Vialidad. Sobre este suelo se realizaron ensayos de
pasante tamiz 200, y límites de Atterberg. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 1.
Siguiendo los lineamientos de las Normas de la DNV y HRB el suelo en estudio puede ser
clasificado como grupo A-4, con índice de grupo 8.
Se realizó un ensayo de compactación, para lo cual se adoptó la metodología tipo IV de
la norma VN-E5-93 de la DNV. En este ensayo se aplica a la muestra compactada la misma
energía que en un ensayo Proctor Standard (6,08 kg.cm/cm³), con la diferencia de que se
utiliza un molde de compactación con un diámetro de 15,25 cm. La utilización de un
diámetro mayor permite que las muestras puedan ser ensayadas posteriormente con el
DCP. Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 1, en donde se puede observar
que la densidad seca máxima es de 1.80 tn/m³, con una humedad óptima de compactación
del 14.5 %.
TABLA 1: Caracterización del suelo según Norma VN-E4-84.
Pasante Tamiz IRAM 75 µm (N° 200)
87%
Límite Líquido
21.4%
Límite Plástico
20.0%
Índice Plástico
1.4
Densidad Seca [tn/m 3]
1.82
1.80
1.78
1.76
1.74
1.72
1.70
10%
12%
14%
16%
18%
Contenido de Humedad
FIGURA 1: Curva de Compactación Proctor
2.1. Descripción del DCP
El DCP es un equipo que evalúa la resistencia que opone un suelo a ser penetrado por
un cono de dimensiones normalizadas. Para la penetración del cono se suministra energía
mediante la caída libre de una masa desde una altura prefijada. El DCP utilizado en este
trabajo consiste en una barra de acero de alta resistencia, de 16 mm de diámetro, provista
de una punta cónica con un diámetro de 20 mm y un ángulo de ataque de 60°. Para las
penetraciones se utilizaron masas de 2 y 8 Kg, y una altura de caída de 584 mm. La Figura
2 muestra un esquema de los componentes del DCP y del procedimiento de ensayo.
FIGURA 2: Esquema del DCP
2.1. Procedimiento de ensayo
Con el objeto de correlacionar los resultados del DCP con la densidad seca de un suelo
compactado, se ensayaron las probetas de laboratorio obtenidas del ensayo de
compactación. Para ello, se apoyó el cono sobre la superficie de la misma y se introdujo la
punta cónica hasta su diámetro mayor. En este momento se tomó la lectura inicial con
respecto a la base de la masa, y se procedió a la hinca del cono mediante golpes, tomando
lecturas parciales, de penetración por golpe. El ensayo se detiene antes de atravesar
completamente la muestra para no golpear la base del molde de compactación con la punta
del cono. De esta forma, se descartó el sector inferior de la muestra en donde por otro lado
podrían obtenerse valores no representativos de penetración producidos por los efectos
locales de la base del molde de compactación. Una vez finalizada la hinca, se determinó la
humedad de la muestra, obteniéndose de esta manera para cada una de ellas, valores de
penetración, densidad y humedad.
3. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
3.1. Estudio de la Energía de Penetración
En el presente trabajo se realizaron un total de 147 ensayos de compactación y
penetración. Se utilizó el DCP con la masa de 2 y 8 Kg y una altura de caída de 58.4 cm. En
función de los resultados de la curva de compactación (Figura 1), el rango de humedades
estudiadas fue del 7% al 18%. En las Figuras 3 a 6 se presentan los resultados obtenidos.
Las Figuras 3 y 4 muestran la variación del índice de penetración (DN) con la densidad seca
para humedades menores y mayores a la óptima de compactación respectivamente. Las
Figuras 5 y 6 muestran la variación del índice de penetración (DN) con el contenido de
humedad volumétrico para humedades menores y mayores a la óptima de compactación
respectivamente.
3
Densidad Seca [tn/m ]
1,85
1,80
1,75
1,70
1,65
1,60
1,55
0,00
8kg-DN<15
2Kg-DN<3
5,00
10,00
15,00
DN [mm/golpe]
FIGURA 3: Relación Densidad Seca-DN obtenidas con la penetración de las masas de
2 y 8 Kg para humedades inferiores a la óptima.
3
Densidad Seca [tn/m ]
1.85
1.80
1.75
1.70
1.65
8Kg-DN>15
1.60
2Kg-DN>3
1.55
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
DN [mm/golpe]
FIGURA 4: Relación Densidad Seca-DN obtenidas con la penetración de las masas de
2 y 8 Kg para humedades superiores a la óptima
Humedad Volumétrica
[%]
30
25
20
8Kg-DN<15
2Kg-DN<3
15
10
0.00
5.00
10.00
15.00
DN [mm/golpe]
FIGURA 5: Relación Humedad Volumétrica-DN obtenidas con la penetración de las
masas de 2 y 8 Kg para humedades inferiores a la óptima
Humedad Volumétrica [%]
32
30
28
26
24
22
8Kg-DN>15
2Kg-DN>3
20
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
DN [mm/golpe]
FIGURA 6: Relación Humedad Volumétrica-DN obtenidas con la penetración de las
masas de 2 y 8 Kg para humedades superiores a la óptima
Los resultados experimentales muestran que cuando se utilizó la masa de 8 kg para la
penetración, se obtuvo una gran dispersión en los resultados. Esta dispersión fue muy
importante en las muestras de suelo compactadas en la rama seca, en donde no se pudo
observar ninguna tendencia clara en los resultados obtenidos. En este trabajo se atribuyó la
baja sensibilidad lograda en los resultados, a la excesiva energía de penetración utilizada en
los ensayos. Esto justifica que para una amplia gama de humedades, no se registraran
variaciones importantes en el DN. Por otro lado, en similares muestras, los resultados
obtenidos con la masa de 2 Kg mostraron una clara tendencia, permitiendo correlacionar el
índice de penetración DN con la densidad seca y la humedad volumétrica del suelo
compactado.
Para la masa de 8 Kg. se advierte que el comportamiento varía para muestras con
valores de DN mayores a 15. Este valor corresponde con el obtenido en las muestras
compactadas con la humedad óptima. Similar tendencia se observó al utilizar la masa de 2
Kg, en donde el comportamiento varía a partir de DN = 3, valor que también coincide con el
obtenido en las muestras compactadas en el óptimo del ensayo Proctor.
3.2
Efecto de la Humedad y Densidad
Debido a la mayor sensibilidad que se obtiene al utilizar la masa de 2 Kg. para las
penetraciones, se adoptó la mencionada energía de penetración para el estudio de la
influencia de la humedad y densidad en el índice de penetración DN obtenido. Las Figuras 7
y 8 presentan los resultados obtenidos para el rango completo de humedades estudiadas.
Observe que en la rama seca, para mayores densidades secas se obtiene mayores valores
de DN, mientras que en la rama húmeda a medida que crece el DN disminuye la densidad
seca. Este comportamiento se debe a que a medida que el suelo es más denso, mayor es la
resistencia del mismo a ser penetrado. Además, en la rama húmeda, al encontrarse el suelo
con mayor grado de saturación, la succión existente o presión capilar entre los granos de
suelo es menor. Debido a ello, a igual densidad, el suelo en la rama húmeda presenta una
menor resistencia a ser penetrado, lo que se manifiesta en mayores valores de DN (Figura
7).
3
D ensidad Seca [t/m ]
1,85
1,80
1,75
1,70
1,65
1,60
1,55
0
5
10
15
20
25
30
D N [m m /golpe]
FIGURA 7: Relación Densidad Seca-DN
En la Figura 8, se presenta la variación del DN con la humedad volumétrica del
suelo. En la misma puede notarse que la humedad aumenta con el índice de penetración,
observándose un importante aumento del DN cuando las muestras se encuentran en la
rama húmeda del suelo. Este comportamiento es atribuido a dos efectos. En primer lugar, la
disminución de la succión del suelo al aumentar la saturación del mismo, lo que disminuye la
resistencia a la penetración (Fredlund y Rahardjo, 1993). En segundo lugar, los valores de
DN son una medida relativa de la resistencia del suelo. Cuando se compacta al suelo en la
rama seca, se obtiene en el mismo una estructura floculada, mientras que en la rama
húmeda se obtiene una estructura dispersa (Seed et. al, 1960). Suelos con igual densidad
seca y con una estructura floculada tienen mayor resistencia al corte que el mismo suelo con
una estructura dispersa (Seed et. al, 1960; Francisca et. al, 1998). Esto explica el importante
aumento de DN que se observa en las muestras con humedades mayores a la optima de
compactación (Figura 8) aun con similares densidades secas. Por lo tanto, la caída de
resistencia del suelo puede atribuirse al efecto que produce una mayor humedad de
Humedad Volumétrica
[%]
compactación.
35
30
25
20
15
10
5
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
DN [mm/golpe]
FIGURA 8: Relación Humedad Volumétrica-DN
4. DISCUSIÓN
Los resultados experimentales fueron analizados mediante regresiones múltiples de las
variables que gobiernan el problema. Se asumió al índice de penetración DN como variable
dependiente, y a distintas funciones de la densidad y humedad como variables
independientes. El mejor ajuste se obtuvo para la función:
DN = 2.4 – 46.2 w + 18.0 log(γd / w) –1.1 δ
[1]
En donde w es la humedad del suelo, γd la densidad seca del mismo, y δ es una variable
“dummy” que adopta el valor 0 para humedades menores a la óptima, y 1 para humedades
mayores a la óptima de compactación.
A partir de las reg resiones múltiples realizadas se logró determinar que la humedad es
el parámetro de mayor influencia en los resultados obtenidos con el DCP. Para la ecuación
1, el coeficiente de ajuste entre la correlación obtenida y los resultados experimentales fue
de R2 = 0.91.
Por otro lado, se desarrollo una metodología basada en funciones de aproximación que
permite obtener la densidad seca del suelo en forma expeditiva. La Figura 9 muestra el
procedimiento para obtener la densidad seca del suelo a partir del índice de penetración DN
obtenido con el DCP. Para ello, se utilizaron funciones del log(w/ γd), las cuales representan
en forma adecuada los resultados según las correlaciones múltiples realizadas. En la misma
Figura 9 se presentan como comparación los resultados experimentales obtenidos en este
trabajo. En la Figura 7 se muestra mediante una línea continua los valores de densidad seca
obtenidos con el procedimiento anteriormente descripto. En todos los casos, el error relativo
entre los valores medidos y calculados fue inferior al 4%. Esto indica que para un
determinado suelo es posible obtener curvas de calibración que permitan correlacionar de
manera confiable los resultados del DCP con la densidad seca de un suelo compactado.
30
2,30
2,10
25
1,90
1,50
15
Log ( d/w)
1,70
γd
DN
20
1,30
10
1,10
5
0,90
0
0,70
0
0,5
1
1,5
Log (γ d/w)
FIGURA 9: Procedimiento para la obtención de la densidad seca a partir del DN
5. CONCLUSIONES
En este trabajo se presentaron resultados experimentales sobre la compactación de un
suelo A4-8, el cual fue ensayado mediante un penetrometro dinámico de cono (DCP). A
partir de los resultados obtenidos se puede concluir de la siguiente manera:
•
Con el DCP se puede obtener importante información sobre la compactación de un
suelo a un bajo costo y en corto tiempo.
•
La energía de penetración del DCP influye en los resultados obtenidos. A mayor
energía (masa) menor es la sensibilidad del DCP para determinar la densidad seca y
humedad del suelo, cuando el mismo se encuentra compactado en la rama seca.
•
Se observa un comportamiento muy diferente cuando el suelo se encuentra
compactado con humedades inferiores a la óptima, respecto del mismo suelo
compactado con humedades mayores a la optima. Este diferente comportamiento fue
atribuido en este trabajo a efectos de saturación y estructura del suelo.
•
Con el DCP es posible determinar en forma confiable la densidad seca de un suelo
compactado. Su potencial aplicación seria aplicarlo como complemento de otro
equipo tradicional, en donde se haga una calibración previa y luego se continúe con
el DCP para controlar en forma rápida la homogeneidad de la zona en estudio.
•
Una alternativa para facilitar el control de compactación mediante el DCP, es realizar
una calibración con este equipo para el suelo que se desea monitorear. Luego,
realizar una prueba piloto de compactación con la humedad óptima determinada en
laboratorio, y realizar los controles de densidad a través del número de golpes
determinado con el DCP. De esta forma, conociendo la humedad de compactación
del suelo, y las curvas de calibración DCP-densidad seca, es posible obtener
resultados confiables que facilitan el control de compactación. La principal razón, se
debe a que en este caso es posible reducir considerablemente el número de
controles mediante métodos tradicionales, y se puede obtener una importante
cantidad de puntos de control a un bajo costo.
6. REFERENCIAS
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Cono en Obras Viales y Controles de Compactación”, Centro de Transferencia de
Tecnología Nº3 I.P.C., Instituto de Estudios de Transporte, Laboratorio Vial I.M.A.E.,
F.C.E.I.y A. Universidad Nacional de Rosario.
Bessone E. y Delprato F., 2000, “ Correlacion entre los parámetros geotécnicos y el Ensayo
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Obra”, GeoBA 2000, XV Congreso Argentino de Mecánica de Suelos e Ingeniería
Geotécnica, pp. 45-56.
Dirección Nacional de Vialidad, 1998, “Normas de Ensayo”, Ministerio de Economía y Obras
y Servicios Públicos, Secretaria de Obras Publicas.
Francisca F., Cuestas G. Y Rinaldi V., 1998, “Estudio de la Permeabilidad de los Limos
Loessicos Compactados”, GT98, Encuentro de Geotécnicos Argentinos, pp. II.2.1 –
II.2-18.
Fredlund D. y Rahardjo H., 1993, “ Soil Mechanics for Unsaturated Soils”, John Wiley& Sons,
Inc.
Johnson Richard, A, 1997, “Probabilidad y Estadística para Ingenieros de Miller y Freund”.
Quinta Edición. Editorial Prentice-Hall, México.
Seed H., Mitchell J. Y Chan C., 1960, “The Strength of Compacted Cohesive Soils”,
American Society of Civil Engineers Research Conference of Cohesive Soils, ASCE,
pp. 877-983.
Yoder, E.J.; Mattheuw; Witczak, 1975, “Principles of Pavement Design”, 2 ed. Toronto.