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

raulbrunt@yahoo.com.ar & labcivil@frbb.utn.edu.ar

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

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.

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.

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

O D

E M

AT

ER

IAL

ES

UT

ILIZ

AD

OS

: limo

s a

ren

os

os

calc

re

os

+ 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

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.

Foto 12. Perfil Suelo Encape de Tosca. Av. Sarmiento, Baha Blanca.