APLICACIÒN DEL DCP EN EL CONTROL DE SUBRASANTES Y TERRAPLENES

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1 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).

2 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

3 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 Densidad Seca [tn/m 3 ] % 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

4 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

5 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. 1,85 Densidad Seca [tn/m 3 ] 1,80 1,75 1,70 1,65 1,60 8kg-DN<15 2Kg-DN<3 1,55 0,00 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.

6 Densidad Seca [tn/m 3 ] Kg-DN>15 2Kg-DN> 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 30 Humedad Volumétrica [%] Kg-DN<15 2Kg-DN< 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

7 Humedad Volumétrica [%] Kg-DN>15 2Kg-DN> 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

8 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). 1,85 Densidad Seca [t/m 3 ] 1,80 1,75 1,70 1,65 1,60 1, DN [mm/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

9 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 compactación. Humedad Volumétrica [%] ,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 = w log(γ d / w) 1.1 δ [1] En donde w es la humedad del suelo, γ d 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 R 2 = 0.91.

10 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/ γ d ), 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, ,10 1, ,70 DN 15 1,50 Log ( d/w) γd 10 1,30 1,10 5 0, ,5 1 1,5 0,70 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:

11 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 Angelone, S.; Tosticarelli, J.; Martínez, F, 1994, Aplicación del Penetrómetro Dinámico de 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 Penetrometro dinámico de Cono (DCP). Su Empleo en la Gestión de Inspección de Obra, GeoBA 2000, XV Congreso Argentino de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, pp

12 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 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 Yoder, E.J.; Mattheuw; Witczak, 1975, Principles of Pavement Design, 2 ed. Toronto.

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