Penetrómetro

ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO Norma I.N.V. E – 172 – 13

HARVI HIUSTON ANTONY BARRERA TORRES BRAYAN REINEL CASTILLO PERILLA SERGIO ESTEBAN LÓPEZ ARÉVALO DANIEL ALEXIS PLAZAS CORREDOR

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL PAVIMENTOS TUNJA 2016

ENSAYO DEL PENETRÓMETRO DINÁMICO DE CONO Norma I.N.V. E – 172 – 13

HARVI HIUSTON ANTONY BARRERA TORRES Cod. 201211218 BRAYAN REINEL CASTILLO PERILLA Cod. 201122105 SERGIO ESTEBAN LÓPEZ ARÉVALO Cód. 201210041 DANIEL ALEXIS PLAZAS CORREDOR Cód. 201110370

Presentado a: Ing. Carlos Hernando Higuera Sandoval.

En la asignatura de: Pavimentos

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL PAVIMENTOS TUNJA 2016

INTRODUCCIÓN En ingeniería, uno de los principales proyectos a realizar es la construcción de vías y/o caminos hechos a partir de pavimentos que pueden ser rígidos o flexibles, y que buscan, con su aplicación, la disminución de los costos de operación y de tiempos que se generan para transportar materia prima, tecnología y para la comunicación. Por lo anterior, es necesario conocer, los parámetros exigidos para el diseño de obras de pavimentos, siendo en C.B.R. (California Bearing Ratio) uno de los mas importantes. En muchas oportunidades, por cuestiones de tiempo, instalaciones, dinero, entre otros, no es posible llevar a cabo el ensayo C.B.R. que normalmente se ejecuta, y se hace indispensable la determinación de tan importante parámetro por medio de métodos alternativos como lo es el Penetrómetro Dinámico de Cono P.D.C. Por lo anterior, este documento, pretende rendir informe acerca del ensayo planteado, mediante el registro de los datos obtenidos en el procedimiento descrito en la norma INV E-172-13, y el cálculo y análisis de los resultados obtenidos.

OBJETIVO Llevar a cabo en ensayo del Penetrómetro Dinámico de Cono INV E-172-13 para determinar el CBR del material in-situ mediante correlaciones existentes.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Realizar la gráfica correspondiente al Número de Golpes vs la Penetración.



Calcular el Índice de Penetración Dinámica de Cono



Determinar el valor de del CBR por intervalo con las formulas definidas por el INVIAS, y la expresión matemática para Suelos Granulares en Colombia.

MARCO TEÓRICO Este método fue propuesto en 1929 por los ingenieros T. E.Stanton y O. J. Porter del departamento de carreteras de California. Desde esa fecha tanto en Europa como en América, el método CBR se ha generalizado y es una forma de clasificación de un suelo para ser utilizado como subrasante o material de base en la construcción de carreteras. Durante la segunda guerra mundial, el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos adoptó este ensayo para utilizarlo en la construcción de aeropuertos. El CBR de un suelo es la carga unitaria correspondiente a 0.1” ó 0.2” de penetración, expresada en por ciento en su respectivo valor estándar. También se dice que mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada. El ensayo permite obtener un número de la relación de soporte, que no es constante para un suelo dado sino que se aplica solo al estado en el cual se encontraba el suelo durante el ensayo Con lo anterior y en busca de hacer el proceso más ágil y para poder realizar supervisiones sobre las obras en ejecución o por simple chequeo, aparece el Penetrómetro Dinámico de Cono, que junto con los ensayos de penetración dinámica son un tipo de ensayos de penetración, empleados en la determinación de las características geotécnicas de un terreno, como parte de las técnicas de un reconocimiento geotécnico. Consisten en la introducción en el terreno de un elemento de penetración, generalmente de forma cónica, unido solidariamente a un varillaje. La hinca se realiza por golpeo de una maza con un peso definido, sobre una sufridera o cabezal colocado en la parte superior del varillaje. Dicha maza se eleva a una altura fijada, y se deja caer libremente. El resultado del ensayo es el número de golpes necesario para que el Penetrómetro se introduzca una determinada profundidad. Exceptuando el ensayo de penetración estándar o SPT, que es un tipo de Penetrómetro que se realiza exclusivamente en el interior de un sondeo y durante su ejecución, el resto, (DPSH, DPH y Borros), se consideran Penetrómetro continuos, ya que proporcionan una medida continua de la resistencia a la penetración, desde la superficie hasta la profundidad máxima que se quiere alcanzar con el ensayo, o hasta obtener el rechazo a la hinca.

MATERIALES Y EQUIPOS • Penetrómetro Dinámico de Cono: instrumento utilizado esencialmente para evaluar la resistencia de suelos tanto no disturbados como compactados y estimar un valor de CBR en campo:

Figura 1: Penetrómetro Dinámico de Cono

Fuente. Elaboración propia.

PROCEDIMIENTO a. Se selecciona el lugar de ensayo, posteriormente se ubica el equipo PDC verticalmente sobre un nivel de terreno donde no se encuentre directamente con piedras que obstaculicen el ensayo. Figura 2: Lugar de ubicación del PDC

Fuente. Elaboración propia. b. El ensayo de PDC necesita de tres operarios, uno se encarga de mantener la verticalidad y el soporte del equipo, un segundo se encarga del golpe con el martillo y el tercero observa y apunta las medidas. c. Al iniciar el ensayo con el Penetrómetro se introduce el cono asentándolo 2" en el fondo para garantizar que se encuentre completamente confinado. d. El proceso de golpe con el martillo es levantarlo hasta la parte superior del eje de recorrido y dejarlo caer, no se debe golpearse la parte superior, tampoco se debe impulsar el martillo hacia abajo. e. En los formatos se apuntan las medidas de penetración y los golpes que fueron necesarios, si es el caso se indica la profundidad de rechazo del equipo.

DATOS OBTENIDOS A continuación, se detalla en dos tablas independientes, los dos lugares en los cuales se hizo el hinchamiento del PDC, y los datos que se obtuvieron:

Tabla 1: Datos penetración 1 Número de Golpes (A) Penetración acumulada (mm) (B) 0

90

1

175

1

246

1

280

1

297

1

313

1

330

1

346

1

362

1

378

1

393

1

410

1

429

1

450

1

471

1

492

1

513

1

534

1

558

1

583

1

603

1

623

1

641

1

655

1

670

1

690

2

709

2

727

2

743

2

775

2

804

2

824

2

840

2

855

2

880

2

907

Fuente. Elaboración propia. Tabla 2: Datos penetración 2 Número de Golpes (A) Penetración acumulada (mm) (B) 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

27 45 60 75 95 115 140 160 175 191 209 223 235 245 260 291 314 338 365 393 425 470 510 560 606 635 670 726 790 847 885 915

Fuente. Elaboración propia.

CÁLCULOS Penetración entre lecturas (C ): Sera igual, a la lectura de penetración acumulada en estudio menos la lectura de penetración acumulada inmediatamente anterior:

C= Bi – B(i-1) C= 246 mm – 175 mm = 71 mm

Penetración por golpe (D ): Sera igual a la penetración entre lecturas obtenida (Columna 3), entre el número de golpes para obtener dicha penetración (Columna 1). 𝐶

71 𝑚𝑚

D= 𝐴

D= 1 𝑔𝑜𝑙𝑝𝑒 = 71 mm por golpe. Factor del martillo (E ): Es considerado como 1, debido a que el peso del martillo utilizado fue de 8 kg. Índice PDC (mm/golpe) (F): Sera igual a la penetración por golpe (Columna 4) por el factor del martillo (Columna 5). F= D*E F= 71 mm * 1 = 71 mm/golpe CBR %: Para su obtención utilizamos la formula sugerida por la norma INNVIAS.

292

CBR= 71 1.12 CBR= 2,46% La cual se usa para suelos que no sean CL/CH (Arcilla de baja o alta plasticidad) y tengan un CBR inferior a 10 Por otro lado, se halla el valor del CBR % por la relación para suelos granulares: Colombia (Suelo granular) CBR=567(PDC)−1.4 CBR= 567*(71)-1.4 CBR= 1,45 %

Para la obtención de los valores de las pendientes, se graficó la curva de Penetración VS Número de Golpes, la cual presentó en ambos casos tres comportamientos claramente diferenciados el uno del otro, y de este modo y con ayuda de Excel se hizo la respectiva regresión lineal, pues se llegó a la conclusión que es la manera más ágil y precisa de minimizar el error y la separación de la nube de puntos de la tendencia, encontrándose los resultados mostrados.

RESULTADOS De la experiencia en el laboratorio, y con el tratamiento matemático respectivo guiados por la norma INV E-172-13, se logró determinar: Tabla 3: Determinación de los CBR ensayo 1 ENSAYO INV E-172-13. PENETRÓMETRO DINAMICO DE CONO

Penetración Penetración Número de acumulada (mm) entre lecturas Golpes (A) (B) (mm) (C.) 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

90 175 246 280 297 313 330 346 362 378 393 410 429 450 471 492 513 534 558 583 603 623 641 655 670 690 709 727 743 775 804 824 840 855 880 907

---175 71 34 17 16 17 16 16 16 15 17 19 21 21 21 21 21 24 25 20 20 18 14 15 20 19 18 16 32 29 20 16 15 25 27

Penetración por golpe (mm) (D) ---175 71 34 17 16 17 16 16 16 15 17 19 21 21 21 21 21 24 25 20 20 18 14 15 20 9,5 9 8 16 14,5 10 8 7,5 12,5 13,5

Factor del Indice PDC Martillo (E.) (mm/golpe) (F) ---1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Elaboración Propia

---175 71 34 17 16 17 16 16 16 15 17 19 21 21 21 21 21 24 25 20 20 18 14 15 20 9,5 9 8 16 14,5 10 8 7,5 12,5 13,5

CBR % COLOMBIA SUELOS GRANULARES

CBR % (G) (INVIAS)

0,00 0,41 1,45 4,07 10,74 11,69 10,74 11,69 11,69 11,69 12,80 10,74 9,19 7,99 7,99 7,99 7,99 7,99 6,63 6,26 8,55 8,55 9,91 14,09 12,80 8,55 24,25 26,16 30,85 11,69 13,42 22,57 30,85 33,77 16,52 14,83

0,00 0,90 2,47 5,63 12,23 13,08 12,23 13,08 13,08 13,08 14,07 12,23 10,79 9,65 9,65 9,65 9,65 9,65 8,31 7,94 10,19 10,19 11,47 15,20 14,07 10,19 23,46 24,92 28,44 13,08 14,61 22,15 28,44 30,57 17,25 15,83

Tabla 4: Determinación de los CBR ensayo 2 ENSAYO INV E-172-13. PENETRÓMETRO DINAMICO DE CONO

Penetración Número de acumulada (mm) Golpes (A) (B) 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

27 45 60 75 95 115 140 160 175 191 209 223 235 245 260 291 314 338 365 393 425 470 510 560 606 635 670 726 790 847 885 915

Penetración entre lecturas (mm) (C.)

Penetración por golpe (mm) (D)

---45 15 15 20 20 25 20 15 16 18 14 12 10 15 31 23 24 27 28 32 45 40 50 46 29 35 56 64 57 38 30

---45 15 15 20 20 25 20 15 16 18 14 12 10 7,5 15,5 11,5 12 13,5 14 16 22,5 20 25 23 14,5 17,5 28 32 28,5 19 15

Factor del Indice PDC Martillo (E.) (mm/golpe) (F) ---1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

---45 15 15 20 20 25 20 15 16 18 14 12 10 7,5 15,5 11,5 12 13,5 14 16 22,5 20 25 23 14,5 17,5 28 32 28,5 19 15

CBR % COLOMBIA SUELOS GRANULARES

CBR % INVIAS

0,00 2,75 12,80 12,80 8,55 8,55 6,26 8,55 12,80 11,69 9,91 14,09 17,49 22,57 33,77 12,22 18,56 17,49 14,83 14,09 11,69 7,25 8,55 6,26 7,03 13,42 10,31 5,34 4,43 5,21 9,19 12,80

0,00 4,11 14,07 14,07 10,19 10,19 7,94 10,19 14,07 13,08 11,47 15,20 18,06 22,15 30,57 13,56 18,94 18,06 15,83 15,20 13,08 8,93 10,19 7,94 8,71 14,61 11,84 6,99 6,02 6,85 10,79 14,07

Elaboración Propia

Con los datos obtenidos se pueden graficar las pendientes, es decir los PDC, constates en la Curva de Evolución de Penetración:

Gráfica 1: Determinación de pendientes PDC ensayo 1

Determinacion de pendientes constantes en curva de golpes acumulados de evoluciónNúmero de penetración ensayo 1 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

y = 82.029x + 59.765 R² = 0.8715

100 Penetración acumulada (mm)

200 300

y = 19.387x + 207.11 R² = 0.9968

400 500 600

y = 10.891x + 414.64 R² = 0.9949

700 800 900

1000

Elaboración Propia Gráfica 2: Determinación de pendientes PDC ensayo 2

Determinacion de pendientes constantes en curva de evolución de penetración ensayo 2 Número de golpes acumulados 0 0 100

Penetración acumulada (mm)

200 300

10

20

30

40

50

y = 18.95x + 23.311 R² = 0.9953 y = 12.529x + 79.452 R² = 0.9966

400 500 600

y = 22.778x - 195.65 R² = 0.9953

700 800 900

1000

Elaboración Propia

60

Los valores de las pendientes, corresponden a la magnitud del PDC para cada uno de los tipos de suelos encontrados en la penetración, los cuales se describen mucho mejor a continuación: Gráfica 3: Magnitudes de las Pendientes VS Profundidad ensayo 1

Diagrama Estructural Ensayo 1

Profundidad (m)

0

20

PDC (mm/golpe) 40 60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Elaboración Propia

Gráfica 4: Magnitudes de las Pendientes VS Profundidad ensayo 2

Diagrama Estructural Ensayo 2

Profundidad (m)

0

5

PDC (mm/golpe) 10 15

20

25

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Elaboración Propia Para determinar el CBR de diseño, se hace de dos maneras, la primera es el promedio de los CBRs encontrados en las Tablas 3 y 4,, y la segunda es el

promedio ponderado de las pendientes quie se establecen en el diagrama estructural de PDC, que se determina de la siguiente forma: 𝑪𝑩𝑹 𝒅𝒊𝒔𝒆ñ𝒐 = 𝑷𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐(𝑪𝑩𝑹) Para Suelos Granulares en Colombia, ensayo uno: 𝐶𝐵𝑅𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜(𝑆. 𝐺. ) = 12.42% CBR con el método del INVIAS, ensayo uno: 𝐶𝐵𝑅𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜(𝑆. 𝐺. ) =13.26% Para Suelos Granulares en Colombia, ensayo dos: 𝐶𝐵𝑅𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜(𝑆. 𝐺. ) =11.65% CBR con el método del INVIAS, ensayo dos: 𝐶𝐵𝑅𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜(𝑆. 𝐺. ) = 12.81%

Para el método de las pendientes, se hace el promedio ponderado:

Tabla 5: CBR método Pendientes Moderadas ensayo 1 Penetración (mm) Pendiente 1 Pendiente 2 Pendiente 3

PDC (mm/golpe)

CBR Suelo Granular Colombia %

CBR INVIAS %

90

280

82,029

1,18

2,09

280

690

19,387

8,93

10,55

690

907

10,891

20,03

20,13

10,05

11,13

Promedio Elaboración propia.

Tabla 6: CBR método Pendientes Moderadas ensayo 2

Penetración (mm)

CBR Suelos PDC CBR Granulares (mm/golpe) INVIAS % Colombia. % 9,22 10,82 18,95

Pendiente 1

27

175

Pendiente 2

175

425

12,529

Pendiente 3

425

915

22,77 Promedio

Elaboración propia.

16,46 7,13 10,940

17,20 8,81 11,51

ANÁLISIS De acuerdo con los resultados obtenidos, se encontraron valores de CBR correspondientes a los dos métodos planteados, los cuales fueron, el del valor de PDC de cada intervalo y el mismo valor pero con el Promedio Ponderado de las PDC encontrados gráficamente. En ambos casos las fórmulas que se utilizaron fueron la del INVIAS y la de Suelos Granulares Colombia. Es evidente que los resultados que se determinaron no son los mismos, sin embargo se aprecia que a pesar de no tener similitud exacta, estos varían en un rango de más o menos 3%, siendo el valor obtenido por el método analítico de Suelos Granulares para Colombia, el de la mitad de los rangos, el cual tiene una magnitud para el primer ensayo de 12.42% y para el segundo de 11.65%. Los datos encontrados, representan quizás la temporada seca que se presenta, ya que inicialmente hay una resistencia mayor que la que se encuentra secundariamente, simbolizando la formación de una costra de resistencia buena, pero fácilmente alterable. Además la poca resistencia de la Subrasante señala la virginidad del suelo, ya que este no ha sido expuesto a cargas significativas que consoliden el material, e indica que el suelo es reciente y que el estado natural en el que esta supone la máxima carga que ha soportado Con los datos de CBR que se determinaron, es necesario decir que el suelo al cual se le hizo el ensayo, presenta características poco deseables, ya que se ajusta al valor mínimo exigido por el INVIAS que es del 9%. En dado caso, que sea necesario construir una vía en pavimento, es necesario hacer un mejoramiento o estabilización del terreno natural, ya sea con cal, cemento u otro mecanismo, para así incrementar el valor de CBR y aumentar de igual forma la resistencia que aportaría la Subrasante a la estructura, para que finalmente el pavimento diseñado cumpla con el objetivo y la función esperada Una apreciación que se puede resaltar, es que los lugares en donde se hicieron los ensayos son del mismo terreno, siendo esto evidenciado en la cercanía de los valores encontrados para ambos ensayos, que varían en menos del 1%. La variación que se destaca entre los métodos, se presenta por dos factores fundamentales, el primero es la manera como se determinan los valores del PDC, uno por método analítico y el otro por el método grafico; el segundo factor que influye es la expresión utilizada y por tanto la manera como se relaciona el PDC con el CBR, siendo el método de Suelos Granulares, el que tiene mayor Factor de Seguridad, al considerar la situación crítica, relativa entre ambos métodos Por último, cabe destacar que el ensayo indicado por el INVIAS es el “mejor de los casos”, ya que es el que presenta el mayor CBR.

CONCLUSIONES Se determinaron valores de CBR de diseño del suelo en estudio de 12,42% y 11,65%; valores que indican un suelo con poca resistencia muy cercano al 9%; valor frontera en el cual el INVIAS impide diseñar un pavimento por lo que se recomendaría el mejoramiento del mismo en el caso de que se tuviese que trazar una vía por el sitio. El valor de CBR escogido fue el escogido por la correlación dada por el Método para suelos granulares (Colombia); ya que este presentaba un valor más crítico en comparación al CBR obtenido con la correlación sugerida por el INVIAS. El valor de CBR hallado por ambos métodos tiene un error contenido entre 1% y 2%, debido a la diferencia de las constantes manejadas por cada correlación. Debido a que el CBR es hallado en base a una correlación que está dada según a un tipo de suelo, se recomendaría en caso de necesitar un valor de CBR bastante preciso trabajar otra clase de ensayo como el obtenido por la metodología propuesta por la norma INV E 148 – 3; de lo contrario clasificar de manera precisa previamente el suelo, para así adoptar una correlación más ajustada al suelo en estudio.

RECOMENDACIONES Partiendo del hecho de que para obtener un CBR de diseño por este método, lo que se hace es asociar el PDC con una constante que dependerá del tipo de suelo en estudio; sería conveniente tener un estudio previo que clasifique el lugar del ensayo para así hallar el CBR de acuerdo a la correlación que más cercana al tipo de suelo en estudio. Se recomienda hallar el CBR con un promedio PONDERADO, para así tener en cuenta la variación de PDC con respecto al intervalo de profundidad penetrada a la cual corresponde la liberalización sugerida de acuerdo a la nube de puntos.

BIBLIOGRAFÍA 

Norma INV E-172-13 Método De Ensayo Normal Para El Uso Del Penetrómetro Dinámico De Cono En Aplicaciones De Pavimentos A Poca Profundidad

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Evaluación de la Subrasante, Ing. Ricardo Ochoa, 2016

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Evaluación De Las Capacidad De Soporte Del Terreno Por Medio De Un Equipo De Penetración Dinámica, Ing. Carlos A. Tupia Córdova, Dr. Ing. Jorge Alva Hurtado

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Diseño de pavimentos bajo volúmenes de tránsito