Paper title
Sociedad Mexicana de
Ingeniera Geotcnica, A.C.XXVII Reunin Nacional de Mecnica de
Suelos e Ingeniera Geotcnica
Noviembre, 2014 Pto. Vallarta, Jalisco
4Los ensayos in situ de penetracin dinmica continua y su
utilizacin en Mxico
Martinez Angel A. et al.5
Los ensayos in situ de penetracin dinmica continua y su
utilizacin en MxicoThe dynamic probing tests and their use in
Mexicongel A. Martnez Girn1; Daniel Martn Snchez2; Daniel Orbezo
Parrao3; Miguel ngel Fernandez Vlez4
1Gelogo consultor, Vorsevi S.A. e-mail:
[email protected]. Director Tcnico Vorsevi Mxico S.A
de C.V. e-mail: [email protected] Civil
Geotecnista, Vorsevi Mxico S.A. e-mail:
[email protected] de Departamento de
Geotecnia, Vorsevi S.A., e-mail: [email protected]:
Los ensayos in situ de penetracin dinmica continua consisten en la
hinca de una punta de acero acoplada a un tren de varillas mediante
la energa que proporciona una masa determinada que se hace caer
desde una altura fija.
A pesar de su simplicidad, tienen una divulgacin muy limitada en
la Repblica Mexicana, y no se generaliza su utilizacin sistemtica y
rutinaria en campaas de investigacin geotcnica.Sin embargo, un
conocimiento exhaustivo de sus virtudes y de sus aplicaciones ms
apropiadas en determinado tipo de suelos y rocas meteorizadas, nos
permite sacar una valiosa y rpida informacin sobre la consistencia
y/o compacidad del subsuelo, con costes inferiores al de otros
ensayos in situ.En el presente artculo, en base a la experiencia
acumulada por Vorsevi Mxico estudiamos las caractersticas de los
ensayos de penetracin dinmica continua, los tipos ms comunes
existentes, sus aplicaciones usuales y su comparacin frente al
ensayo ms popular SPT. Tambin se pondrn de manifiesto las
limitaciones que hay que tener en cuenta a la hora de la
interpretacin de este tipo de ensayos.
Finalmente, se recogen dos casos prcticos de aplicacin real en
varios emplazamientos repartidos por la Repblica Mexicana.
ABSTRACT: The continuous dynamic penetration tests involve the
driving of a steel tip attached to a rod train energy provided by a
given mass is dropped from a fixed height.
Despite their simplicity, have a very limited release in the
Mexican Republic, and its systematic and routine use is not
widespread on surveys of geotechnical investigation.However, a
comprehensive understanding of their benefits and their
applications more appropriate in certain types of soil and
weathered rock, allows us to make a valuable and accurate
information about the consistency and/or relative density of the
subsoil, with lower costs than other tests "in situ ".
In this paper , based on the experience of Mexico Vorsevi,
studied the characteristics of continuous dynamic penetration tests
,the most common classes , their usual applications and compared
against the most popular test SPT . It also will highlight the
limitations that must be taken into account when interpreting such
tests.Finally, several case studies of real application are
collected at various sites scattered Mexico.1 Introduccin
Los ensayos de penetracin dinmica son considerados los ms
antiguos de los ensayos in situ y su origen se justifica por la
evaluacin de la consistencia o compacidad de los suelos in situ,
recurrindose en sus inicios a mtodos sencillos como hincado de
barras, rales o perfiles metlicos que con el paso del tiempo se van
perfeccionando hasta convertirse en dispositivos livianos con la
aportacin de un cabrestante ligero, de una maza, de un yunque y de
varillas adecuadas.Es un ensayo que se asemeja al conocido de
penetracin estndar (SPT), pero a diferencia de ste, es continuo y
no recupera muestra, se va hincando en el terreno una punta
adecuada acoplada a un varillaje, con la ayuda de una maza que cae
en cada libre desde una altura determinada. El proceso de hinca es
continuo y no requiere de entubacin o revestimiento, finalizndose
el ensayo cuando se alcanza un determinado nmero de golpes por
longitud hincada. Por esta razn, su realizacin es relativamente
rpida, pues requiere muy poco tiempo de preparacin para
posicionamiento y comienzo del ensayo, as como para la duracin del
propio ensayo, dependiente de la profundidad de rechazo.Los
resultados de los ensayos se representan grficamente en diagramas
de tipo (X,Y) que proporcionan en funcin de la profundidad
alcanzada el nmero de golpes correspondiente a una penetracin dada,
normalmente en intervalos de 10 20 cm.Si se conocen adecuadamente
las ventajas y posibles limitaciones en su ejecucin e
interpretacin, disponemos de un ensayo muy interesante en el que
priman ms los aspectos cualitativos sobre los cuantitativos en la
informacin suministrada dependiendo del tipo de suelo.Los ensayos
de penetracin tienen su inicio a principios del siglo XX, con
varios dispositivos iniciales. En 1922 la Compaa Charles R. Gow pas
a ser un departamento de la Raymond Concrete Pile, poniendo a punto
Linton Hart y Gordon A. Fletcher un tomamuestras de 2 de dimetro
abierto que fue conocido ms tarde como Standard Penetration Test
(SPT) al normalizarlo K. Terzaghi y R. Peck.
En Suecia se han venido utilizando los ensayos de penetracin
dinmica en la misma poca de aparicin del SPT. Sobre 1940, la firma
sueca Borros disea y desarrolla el mtodo Ram Sounding, que equivale
al conocido penetrmetro dinmico Borros, comnmente utilizado para
estimar la longitud de pilotes hincados trabajando por punta.
Despus de 1945 su uso se hace extensivo a toda Europa conviviendo
con el ensayo de penetracin esttica CPT, y con los ensayos SPT ms
generalizados.En pases con predominio de suelos de consistencia
media y baja el uso del penetrmetro esttico CPT es ms comn que el
de penetracin dinmica, como por ejemplo Holanda o Suecia, mientras
que en zonas o pases donde predominan los suelos de mayor
consistencia y/o compacidad suele predominar la penetracin dinmica
sobre la esttica.
El ensayo de penetracin dinmica suele tener mayor versatilidad
en su aplicacin sobre diferentes tipos de suelos o rocas
meteorizadas sobre el de penetracin esttica, si bien su
interpretacin es ms limitativa.2 Descripcin del ensayo. Normativa.
MaquinariaLos ensayos de penetracin dinmica continua determinan la
resistencia de los suelos y de las rocas blandas a la penetracin de
una puntaza hincada a golpeo, mediante una maza de masa y altura de
cada conocidas. Actualmente estn sujetos a normativa de
estandarizacin de acuerdo con la ISO 22476-2:2005.En un dispositivo
caracterstico del ensayo, se pueden diferenciar los siguientes
trminos:
Cabeza de impacto o yunque.
Parte del dispositivo de hinca sobre la que golpea la maza y a
travs de la cual pasa la energa a las barras de hinca.
Colchn; amortiguador:
Se coloca sobre la cabeza de impacto para minimizar el dao al
equipo.
Maza:
Parte del dispositivo de hinca que se levanta y se deja caer
sucesivamente para proporcionar la energa que consiga la penetracin
de la puntaza cnica.
Altura de cada:
Altura de cada libre de la maza despus de ser soltada.
Dispositivo de hinca.
Conjunto formado por la maza, la guiadera, la cabeza de impacto
y el sistema de elevacin y escape.
Barras o varillaje de hinca.
Barras que conectan el dispositivo de hinca con la puntaza
cnica. Puntaza cnica. Puntaza de dimensiones normalizadas que se
utiliza para medir la resistencia a la penetracin.
Fig. 1. Penetrmetro dinmico tpico ndice Nxy: Es el nmero de
golpes requerido por el penetrmetro tipo y para hincar la puntaza
cnica una longitud definida x expresada en cm. Por ej, NDPSH-B
20.
Existen en la actualidad varios tipos de ensayos de penetracin
dinmica, que son funcin de la masa de la maza y de la altura de
cada.
Los penetrmetros ms livianos son los DPL (ligeros), tienen una
masa de 10 kg y una altura de cada de 50 cm, aplicndose al rango de
suelos ms blandos, especialmente recomendable para terrenos con
NSPT 10, donde son muy finos diferenciando suelos de naturaleza
diversa blanda. Poco poder de penetracin en suelos de mayor
consistencia. Aplicables tambin a control de compactaciones.A
continuacin se sitan los ensayos de penetracin DPM (medianos) con
masa de 30 kg y altura de cada de 50 cm. Podramos extender su rango
ms aprovechable a suelos con NSPT 20, estando ms limitados en
terrenos duros. Se aplican tambin a evaluacin de control de calidad
en terraceras y firmesLos ensayos DPH (pesados) poseen una maza de
50 kg y una altura de cada de 50 cm, y al aumentar su rango a
terrenos de consistencia firme-dura pierden sensibilidad con los
suelos ms blandos.
Por ltimo, los ensayos DPSH (super pesados) se dividen en los A
con masa de 63.5 kg y altura de cada de 50 cm (muy similar a los
antiguos Borros suecos) y los B, con masa de 63.5 kg y altura de
cada de 75 cm, prcticamente equivalente al SPT. Su campo de accin
es el ms amplio y polivalente, al penetrar en los suelos de
consistencia dura a muy dura y en los de compacidad densa a muy
densa, incluso con pequeos niveles rocosos cementados centimtricos.
Su principal hndicap, radica en la poca sensibilidad sobre los
suelos blandos, al no diferenciar con suficiente precisin
diferentes niveles en su seno. En la Tabla 1 se resumen los
diferentes ensayos de penetracin dinmica ms habituales, y se
exponen sus caractersticas distintivas.Precauciones especiales en
la ejecucin del ensayo.Como buenas prcticas, ha de tenerse en
cuenta:
La maza debe guiarse convenientemente para que el rozamiento sea
mnimo. El mecanismo de cada de la maza debe ser automtico y
asegurar en todo caso una cada libre constante. La cabeza de
impacto debe de fabricarse con acero de alta resistencia, pudindose
colocar un amortiguador entre la maza y la cabeza de impacto.
Las puntazas deben cnicas de acero y formar un ngulo de 90 en el
vrtice. Tienen mayor dimetro que el varillaje al que estn acopladas
y pueden ser recuperables (fijas al varillaje) o desechables
(perdidas). Son preferibles las perdidas porque favorecen la
extraccin del varillaje una vez concluido el ensayo.
Fig. 2. Tipos de puntas de penetrmetro dinmico
El varillaje ha de estar constituido por acero de alta
resistencia, preferiblemente hueco. Pueden utilizarse dispositivos
para contar el nmero de golpes de forma automtica, sin necesidad de
estar pendiente del ensayo y su conteo.
Se debera medir la longitud penetrada sobre una escala situada
en las barras o mediante sensores de registro.
Como ms adelante se menciona en los criterios de finalizacin de
ensayo, debe contarse con un dispositivo para medir el par de
torsin necesario para girar las barras de hinca mediante llave
dinamomtrica con medidor de par de torsin, al menos hasta 200
Nm.
Un dispositivo para garantizar la verticalidad de las barras que
sobresalen del terreno es tambin requerido.
Procedimiento de ensayo resumidoLa preparacin del ensayo se debe
realizar sobre plataforma o terreno plano, para favorecer la
verticalidad, no debiendo ser mayor del 2% la proyeccin sobre el
terreno del mecanismo de hinca y de las barras de hinca.El proceso
de hinca debe ser continuo una vez iniciado el ensayo, manteniendo
una velocidad de hinca entre 15 y 30 golpes por minuto, debindose
anotar las detenciones superiores a 5 minutos.
Por cada metro de perforacin, en las hincas pesadas se deben
rotar las barras 1,5 vueltas o hasta que se alcance el par de
torsin mximo, que se debe medir y registrar utilizando una llave
dinamomtrica.El rozamiento superficial puede disminuirse si se
inyecta lodo de perforacin o agua a travs de agujeros horizontales
o inclinados hacia arriba, efectuados en las barras huecas cerca de
la puntaza.
En el procedimiento de ensayo habitual se va anotando el nmero
de golpes cada 10 cm en los dispositivos DPL, DPM y DPH, y cada 20
cm en el caso del DPSH-A y DPSH-B, pudindose considerarse el rango
habitual de trabajo entre 3 y 50 golpes por 10 cm en DPL, DPM y
DPH, y entre 5 y 100 golpes por 20 cm en DPSH-A y DPSH-B.
El ensayo puede darse por concluido cuando el nmero de golpes
excede dos veces los valores mximos indicados.Si los suelos son muy
blandos, puede anotarse el intervalo de penetracin por golpe,
mientras que en terrenos duros o rocas blandas, se puede anotar la
penetracin para un cierto nmero de golpes como alternativa a los
ndices N.
En normativas anteriores a la actual ISO, se detena tambin el
ensayo cuando el valor del par de rozamiento exceda los 100 Nm en
DPH y 200 Nm en DPSH. En la figura 3 podemos observar un tpico
grfico de penetracin dinmica DPSH, con registro de golpeos cada 20
cm y medida de par cada metro.
Tabla 1. Resumen de tipos de dispositivos de aparatos de
penetracin dinmica.
Fig. 3. Grficos de penetracin dinmica DPSH3 INTERPRETACIN DEL
ENSAYO. PARMETROS clsicos PROPORCIONADOS.
Los penetrmetros dinmicos fueron originalmente diseados para
obtener datos estimativos de la resistencia a la penetracin del
suelo, y en particular para determinar la compactacin y densidad
relativa de suelos granulares, que son habitualmente dificultosos
de muestrear.
Tambin son usados a menudo para chequear la uniformidad de las
condiciones del suelo en un emplazamiento determinado,
proporcionando la situacin y espesor de los diferentes estratos y
la profundidad del sustrato rocoso o nivel resistente.
Los registros de las penetraciones dinmicas continuas suelen ser
un buen referente a la hora de estimar las longitudes futuras de
pilotes prefabricados de hinca, en especial cuando utilizamos los
DPSH, pero dichas longitudes deben ser confirmadas al inicio de
obra con los denominados pilotes de prueba.
La seleccin del equipo de penetracin dinmica viene dada por el
tipo de campaa prevista, las condiciones locales del subsuelo y el
propsito de la investigacin.
Como ms adelante se desarrollar, las campaas de penetraciones
dinmicas deben de contar con sondeos de investigacin de control o
referencia en los que se realicen ensayos de penetracin SPT, con el
objeto de establecer correlaciones de tipos de suelos y de
compacidad.A partir de los datos proporcionados por el ensayo,
podemos extraer diversa informacin cualitativa y cuantitativa. El
enfoque ms clsico y antiguo, proviene de los trabajos recopilativos
de G. Sanglerat (1967), donde se establecen relaciones directas
entre el n de golpes y la resistencia dinmica, y a partir de aqu en
funcin de varias expresiones, se estiman cargas admisibles de
trabajo para cimentaciones superficiales y profundas. Hoy en da
este procedimiento es menos riguroso por las limitaciones clsicas
del ensayo, y debe de ser considerado como una aproximacin o como
un valor previo de anteproyecto.En base a este enfoque de
expresiones clsicas resulta la deduccin de la resistencia dinmica
por la formulacin de los holandeses:
(1)Donde:
M= Peso de la maza en kilogramos
P= Peso de las varillas en kilogramos
e= Penetracin en cm por nmero de golpes
A= seccin de la punta en cm2H= altura de cada de la maza en cmLa
resistencia dinmica puede tambin correlacionarse con la esttica a
partir de diferentes expresiones, lo que permite entrar en
formulaciones de capacidades portantes estticas, como la relacin
propuesta por Buisson.S/D (Relacin entre resistencia esttica y
dinmica)Tipo de terreno
0,30Suelos de compacidad floja o consistencia blanda
0,50Arcillas
0,75Arenas
1,00Gravas con fuerte rozamiento
Tabla 2. Relacin resistencia esttica/dinmicaDe igual manera, a
partir del propio dato de la resistencia dinmica, determinados
autores establecieron la presin admisible de trabajo para
cimentaciones superficiales, como 1/20 de dicha resistencia
dinmica.En el caso de cimentaciones por pilotes, su capacidad de
carga poda evaluarse de la dinmica con un factor oscilante entre
Rd/6 y Rd/12.Para estimacin de asientos, existen tambin expresiones
que permiten obtener el mdulo de deformacin, y a partir de este
dato pueden utilizarse las expresiones habituales elsticas.
(2)Donde es un coeficiente dependiente del tipo e suelo, y qc es
la resistencia esttica de punta o resistencia de punta Rp.Tipo de
sueloResistencia por punta (qc, kg/cm2)Valor de
Arenas>451,50
Arena arcillosa y arcilla compacta15