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XX Congreso Argentino de Mecnica de Suelos e Ingeniera Geotcnica 2010 CAMSIG 2010, Mendoza, Argentina
Calibracin del Penetrmetro Dinmico Liviano - DPL
R.O. Brunt & L.R. Di Nardo
[email protected] & [email protected]
Universidad Tecnolgica Nacional, Facultad Regional Baha Blanca, Dpto. de Ingeniera Civil
RESUMEN: el trabajo consiste en la calibracin de un Penetrmetro Dinmico Liviano DPL,
correlacionando Valor Soporte Relativo, medido en probetas de suelos compactadas y el Dn mm/golpe
obtenido al penetrar a las mismas con el DPL. El DPL utilizado, construido en la UTN Facultad Regional
Baha Blanca, consta de un mazo de 8 Kg., cada de 57,5 cm y punta cnica a 60 grados con dimetro de
base de 2 cm. Se consider que la relacin VSR vs Dn podra variar con distintos porcentajes de retenido en
tamiz nmero 4 de suelos granulares seleccionados, compactados a distintas densidades o con distintas
humedades de mezclado. El suelo empleado es una arena limosa calcrea de la Fn Pampeano con pasa tamiz
4 entre 30 y 100 %, ensayando probetas compactadas con densidades secas entre 1,65 y 1,83 g/cm3. Los
dosajes utilizados tuvieron distintos porcentajes de retenidos en el tamiz 4, variando la humedad de moldeo
del 8 al 22%. Cada probeta fue confeccionada con estricto control de granometra, humedad, densidad,
instrumental utilizado y dems detalles de procedimientos. Al relacionar los valores obtenidos, se observa que
los Dosajes como las Densidades afectan levemente a la relacin VSR vs Dn, siendo la humedad utilizada la
que mas afecta esta relacin. La utilizacin del DPL en obras, podra reemplazar a los controles de densidad e
indicar el VSR real de capas compactadas. Con la curva de calibracin obtenida se evaluaron paquetes
estructurales de rutas, definindose adecuadamente espesores de base y subbase, y tramos con deficiencias.
Palabras clave: calibracin penetrmetro correlacin penetracin valor soporte California.
ABSTRACT: It was carried on the calibration of a Dynamic Penetrometer (DP) in order to correlate DN
mm/blow with the measured Californian Bearing Ratio (CBR) on a compacted soil sample into an Standard
CBR mould. The DP energy was given by a mass of 8 kg freefall of 57,5cm, driving a conical tip of 60 ID
and 2cm bases. The tested soil was calcareous sandy silt mixed with crushed weak rock of the same type.
Different percentages of fraction retained in N 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 the
correlation CBR vs DN. It was observed that the water content has the main control in the correlation. Having
a calibrated DP for a giving type of soil, it could be used in the field to estimate the CBR of a compacted soil
layer.
Key Words: calibration - penetrometer - correlation - penetration - California Bearing Ratio
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1 INTRODUCCIN
El Penetrmetro de cono, extensamente utilizado
tanto por su antigedad como por nmero de pases,
ha constituido una herramienta sencilla para evaluar
la compasidad o resistencia de los materiales en un
perfil de suelos sin cementar.
Actualmente a los penetrmetros se los clasifica en
livianos, medianos, pesados y superpesados. El
utilizado en el presente trabajo es del tipo liviano, de
accionamiento manual y de alcance entre cero y dos
metros de profundidad. Estas condiciones lo haran
apto para la evaluacin del Valor Soporte del
Terreno natural de la traza de obras lineales como
caminos, canales, terraplenes, etc. (Fig. 1).
De contarse con un penetrmetro dinmico liviano,
DPL, calibrado respecto a Valor Soporte Relativo,
VSR o CBR, de un tipo de suelo representativo de
una regin, el cual es utilizado como material
seleccionado para construccin del paquete
estructural, podra determinarse el VSR de cada capa
compactada de manera rpida, sencilla y confiable,
manejando un nmero elevado de valores obtenidos
en campo.
En el caso de obras viales que hayan cumplido su
vida til de servicio, el DPL podra indicar el estado
actual de la estructura y proveer de informacin para
el tipo de refuerzo ms adecuado (Grf. 9 y Foto
11).
De acuerdo a lo manifestado, se inicia un trabajo de
calibracin de un DPL en Laboratorio y luego su
aplicacin en Campo.
2 DESARROLLO
2.1 Bibliografa y antecedentes:
La bibliografa disponible sobre penetrmetros
dinmicos es extenssima donde las primeras
presentaciones a Congresos datan del 1970 en
adelante, las que tratan de tipos de DP, valores
obtenidos en distintos tipos de suelos,
interpretaciones de resultados, etc.
El manual Prove Geotecniche in sito de F. Cestari, 1990, actualiza los conocimientos y normaliza los
ensayos de acuerdo al I.S.S.M.F.E. (Int. Soc. Soil
Mech. Found Eng.), ha sido el manual de cabecera
para este trabajo.
2.2 Materiales y mtodos:
En la regin Sur-Suroeste de la Pcia. de Buenos
Aires, Este de La Pampa y Noreste de Ro Negro,
afloran sedimentos de la Fn. Pampeano compuesto
de limos y arenas finas con variable contenido de
carbonato de calcio. Dentro del paquete
sedimentario de origen elico se intercalan capas
cementables siendo la ms superficial el nivel ms
resistente, conocido como encape de tosca de uno a tres metros de espesor y con resistencias a
compresin simple entre 50-400 Kg/cm2 (Foto 12).
Material de esta Formacin se utiliza en toda obra de
suelo como rellenos, terraplenes de caminos y del
FFCC, etc. como material seleccionado. En cantera,
los niveles ms cementados se trituran y se mezclan
con el fino, deleznable, en distintas proporciones
segn requerimientos en obra (Grf. 7).
En este trabajo, se preparan dosages con una
fraccin gruesa, partculas retenidas en el tamiz #4, y el fino, pasa tamiz #4. Cada una de las distintas mezclas se compactan a la misma densidad
seca, variando el contenido de humedad, ambos en
un entorno a la densidad seca mxima y a la
humedad ptima (Foto 1).
La compactacin se realiza manualmente dentro de
un molde de los utilizados para Valor Soporte, en
cinco capas, utilizando toda su altura (17.8 cm). Las
fracciones en cada tamiz del grueso se pesan para agregar al fino segn el dosage adoptado; se agrega el agua, se mezcla y se masera por un da
(Fotos 1, 2, 3 y 4).
En el armado de la probeta, se pesa la cantidad de
grueso y fino necesaria para una capa controlando el
espesor de la misma, al ser compactada.
La probeta se la penetra con el pistn de Valor
Soporte, de acuerdo a norma y se obtiene el VSR.
Luego la probeta se penetra con el DPL registrando
los milmetros penetrados por cada golpe. Del
grfico penetracin-golpe se obtiene DN (mm/golpe),
ndice que se correlaciona con el VSR (Fotos 4, 5, 6,
7, 8 y 9 - Grf. 5 y 6).
Finalizado el ensayo, se desmolda la mezcla y todo
el material se seca al horno y se calcula la humedad.
Los Grficos 8 y 9 ejemplifican la presentacin de
los resultados.
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3 RESULTADOS Y DISCUSIONES
Los dosages de gruesos y finos en el armado de
probetas cubren un amplio rango de variacin de
materiales provenientes de cantera, siendo estos un
retenido en tamiz #4 de 70%, 60%, 50%, 30% y 0%.
El rango de densidad seca fue de 1.65 g/cm3 a 1.83
g/cm3. Las humedades de moldeo variaron del 8% al
21% (Grf. 5.1).
Atento a que en el armado de las probetas y de sus
ensayos hubo un estricto control de todas las
variables como granometras, densidades secas,
humedad de mezclado, espesor de capa compactada,
velocidad de penetracin del pistn de Valor
Soporte, etc., se observa que con distintos dosages y
densidades es posible obtener VSR variables entre 5
y 80%. Estos resultados pueden observarse en los
Grf. 1, 2, 3, 4 y 5.1. En el Grf. 8 donde se
correlaciona VSR vs Humedad, se observa que es
esta ltima la variable que ms influencia al VSR.
En principio podra pensarse que una probeta con
estructura de material clasto soportado, partculas
gruesas todas en ntimo contacto, donde los finos
rellenan los poros, debera entregar el VSR ms alto
posible. El arreglo en el estado denso de la fraccin
gruesa deja un volumen de vacos prximo 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 funcin de la deformacin especialmente cuando
estn confinados y con sobrecarga, tal como las
probetas en el molde VS donde la deformacin es de
tan solo una dcima de pulgada. El valor obtenido
puede variar ampliamente si debajo del pistn de
penetracin estn presentes ninguna o varias
partculas gruesas que componen al suelo. Esta
situacin podra ser responsable de la dispersin de
valores en el grfico VSR vs. DN. (Grf. 8 y 9).
Actualmente en obra se controla la densidad
alcanzada por compactacin, valores que se
interpreta correlacionable con un VSR obtenido en
Laboratorio con un material algo parecido al
colocado en obra. As con pocos puntos de control
se evala la calidad del trabajo realizado.
Parecera ms adecuado el uso de un DPL para
determinar el VSR del material utilizado en obra
evaluando en forma ms estadstica al control
necesario de la obra. El trabajo demuestra
claramente que el VSR ms alto se obtiene
compactando a menor humedad que la ptima
indicada por el ensayo Proctor lo cual concuerda con
el criterio de que la resistencia de los suelos depende
de su contenido de agua.
4 APLICACIONES
Los ltimos trabajos en evaluacin de caminos con
el DPL fueron realizados en el 2008 y 2009, para la
Direccin de Vialidad Nacional, Distrito 19, Baha
Blanca.
Sobre la Ruta 228, Tres Arroyos Necochea, tramo de 143 kilmetros, se efectu un ensayo de
penetracin cada 3 kilmetros, en unas 15 horas de
trabajo de campo. Los resultados definieron los
puntos o tramos con VSR no adecuados.
En la Ruta 35, entre Baha Blanca y el lmite con la
Provincia de La Pampa, tramo de 125 kilmetros, se
ensay cada 3 kilmetros con una duracin de 10
horas de trabajo de campo. El DPL defini los 40
kilmetros de ruta en condiciones no adecuadas
(Grf. 10).
Otras rutas se estudiaron utilizando en cada punto un
DPL, un densmetro nuclear con fuente de rayos y
neutrones, y tomando muestras del paquete
estructural.
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
- Emplear los DPL en el control de VSR en campo.
- Calibrar los DPL con los suelos regionales que se emplean en obra.
- Compactar a menor humedad que la ptima incrementando la energa de compactacin.
- La utilizacin del DPL permite obtener rpidamente un nmero importante de valores
y evaluar en forma estadstica.
- Con el tipo de material ensayado VSR altos se obtiene si DN = 1-2 mm/golpe.
- Para cualquiera de los dosages, una variacin del contenido de humedad del 5% vara el
VSR entre 10% y 75%.
- Para VSR superiores al 50%, la humedad de compactacin debe ser menor al 12% para los
suelos estudiados.
- El DPL puede indicar el espesor de cada capa del paquete estructural y puede definir el VSR
del ncleo del terrapln o sector de banquina.
- En la etapa de estudio y proyecto determinara el VSR de los materiales de la traza lo cual
permitira reducir el nmero de calicatas,
ensayos de laboratorio, sectorizar, evaluar
materiales sueltos, escarificables o empleo de
voladura, etc.
- El laborioso control de densidad en obra permitira interpretar el VSR alcanzado. El
DPL entrega directamente el VSR in situ.
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6 AGRADECIMIENTOS
El trabajo de calibracin del DPL fue posible
desarrollarlo debido a la colaboracin y entusiasmo
entregado por personas de los distintos claustros de
la UTN Facultad Regional Baha Blanca a quienes
se les agradece profundamente.
Cabe mencionar al Dr. Ing. Eduardo Bambill,
Director del Departamento de Ingeniera Civil por
sus palabras de aliento y supervisin en el desarrollo
de las tareas.
A los becarios del laboratorio Ing. Juan Rodrigues,
Gabriel Adema y Damin Alonso por participar en
todas las tareas, grficos, fotos y dems aspectos.
Al Lic. En Org. Ind. Roberto Verna, Director de la
Direccin de Vinculacin Tecnolgica, por brindar
los fondos necesarios en todas las etapas del
presente trabajo.
Finalmente se agradece a los directivos de la
Direccin Nacional de Vialidad, Distrito 19, Baha
Blanca, por permitir el uso del DPL en la evaluacin
del estado de rutas en su jurisdiccin.
7 ANEXOS
A continuacin se detalla la siguiente informacin
en Anexo adjunto:
- Figuras. - Grficos. - Fotos
7.1 Figuras:
7.2 Grficos
Grfico 1. Correlacin VSR vs DN para distintos
dosajes y densidades.
-
Grfico 2. Correlacin VSR vs DN para distintos
dosajes y densidades.
Grfico 3. Correlacin VSR vs DN para distintos
dosajes y densidades.
Grfico 4. Correlacin VSR vs DN para distintos
dosajes y densidades.
Grfico 5.1. Relaciones entre V.S.R., Densidad y
Humedad para distintos dosajes.
Ejemplo de Ensayo sobre dosaje determinado:
Datos ensayo: se utilizaron 6 kg. de suelo seco.
- Dosaje N: 2
- Humedad: % = 10 (terica).
- Densidad: = 1,70 g/cm3 - Cantidad: N: 2 - Mezcla: Pasa Tamiz #4: 50%
Retenido Tamiz #4: 50%
Valores Ensayo VSR
Penetracin
del pistn 64 127 190 254 317 381
Divisiones 12 19 24,5 29 34 37,5
10,32 16,34 21,07 24,94 29,24 32,25
Penetracin del pistn
444 508 762 1016 1270
Divisiones 41 44,5 57 66 74,5
35,26 38,27 49,02 56,77 64,08
- Karo = 16,64 Kg/div A pistn= 19,347 cm - V.S.R (1era Penetracin) = 37,06 - V.S.R (2da Penetracin) = 36,43
Valores Ensayo Penetracin
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 continuacin se adjuntan los grficos
correspondientes al ensayo detallado como ejemplo:
-
Mue
stra
N:
Pro
f. Mue
stra
:
GRUESA
GRAVA ARENALIMO (no plstico) A ARCILLA (plstica)
GRUESA FINA FINAMEDIA
TAMIZADO
ABERTURAS CUADRADAS SERIE U.S. STANDARDANALISIS HIDROMETRICO
PR
OY
EC
TO
DP
L
0 - 1
2 m
.
CA
MP
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ILIZ
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OS
: limo
s a
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re
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+ T
os
ca
1 - 2
- 3 - 4
Lug
ar:
Fe
ch
a:
Mue
stre
o e
n c
ana
leta
del F
rente
de C
ante
ra G
rum
bein
200
9-2
01
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Po
rcen
taje
qu
e p
as
a
Pasa #4
3/4-#4
30G - 70F
60G - 40F
3" 2" 1" 1" " 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
Dimetro de las partculas ( 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 12Penetracin en mm.
Car
ga
un
itar
ia
Grfico N 5: Moldeo de Probeta Ensayo VSR
DN = mm = 92 = 5,75 golpes 16
Grfico N 6: Moldeo de Probeta Ensayo DPL
Grfico N 7: Curvas Granomtricas Lmites
V.S.R (Promedio) aprox. 37%
%= 11,20
-
CURVA DE CALIBRACIN, 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
Grfico 8. Correlacin 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
Grfico 9. Correlacin Valor Soporte vs Dn (Mayo
2010)
Grfico 10. Aplicacin del DPL
USO DEL DPLRuta Nacional N 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 AsflticaProgresiva (Km.)
80
60
40
30
20
10
mm
tota
les/n
golp
es tota
les, D
NT
Evaluacin del V.S.R de Base - Subbase con DPL calibrado para materiales granulares gruesos.
Junio 2009
Valo
r V
SR
(o
bte
nid
o e
n funci
n
de G
rfic
o de
Rela
cin V
SR
- D
NT)
-
7.3 Fotos:
Foto 1. Materiales utilizados para los ensayos.
Foto 2. Ensayo VSR: Molde Estndar utilizado.
Foto 3. Ensayo VSR: Compactacin 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 Penetracin
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Foto 7. Penetracin con DPL: Vista del equipo.
Foto 8. Penetracin con DPL: Vista del equipo
Foto 9. Penetracin con DPL: Vista de la probeta
luego de finalizar el ensayo.
Foto 10. Penetracin con DPL: Vista de punta
cnica y rosca de conexin.
Foto 11. Penetracin con DPL: Aplicacin.
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Foto 12. Perfil Suelo Encape de Tosca. Av. Sarmiento, Baha Blanca.