Determinación de la estratigrafía del suelo utilizando el ensayo de penetración cónica en depósitos sedimentarios del NEA

Bosch, Dante R. - Sotelo, Rubén R.

Centro de Geociencias Aplicadas - Facultad de Ingeniería - UNNE. Av. Las Heras 727 - (3500) Resistencia - Chaco - Argentina. Tel./Fax: +54 (03722) 420076 E-mail: dbosch@ing.unne.edu.ar ANTECEDENTES

Ensayo de Penetración Cónica – CPT El Ensayo de penetración cónica (CPT - Cone Penetration Test) consiste en introducir en el suelo una pieza de forma cónica vinculada a una célula de carga que mide en forma continua la resistencia del suelo a la penetración de la puntera cónica (qc). También mide en forma simultánea la resistencia a la fricción lateral (fs) que ofrece el suelo al paso de una pieza cilíndrica ubicada inmediatamente arriba de la punta cónica (Figura 1.a). La técnica de hincar barras en el suelo con fines geotécnicos es una práctica muy antigua, utilizada en sus comienzos en suelos blandos para localizar la profundidad de un estrato firme. Las primeras versiones de este sondeo fueron desarrolladas en Suecia en 1917 y consistía en hincar una puntera helicoidal, en parte por carga estática y en parte por rotación. El ensayo de CPT como hoy se conoce pero con puntera mecánica, comenzó a ser utilizado en Holanda en 1934 para evaluar la capacidad de carga de pilotes hincadas. Posteriormente, en la década del 60, surge el CPT eléctrico en el cual la resistencia de punta (qc) y la fricción lateral (fs) son medidos eléctricamente a través de dos células de carga montadas con “strains gauges”. Desde sus inicios, este ensayo comenzó a ser utilizado como herramienta normal en las investigaciones geotécnicas de campo, como lo expresa Wroth (1984), especialmente para establecer rápida y económicamente el perfil del subsuelo. Según Meigh (1987) el CPT tiene tres aplicaciones principales: 1) determinar el perfil del subsuelo e identificar el tipo de suelo presente, 2) interpolar las condiciones del subsuelo entre sondeos de control, y 3) evaluar parámetros geotécnicos para estimar capacidad de carga y asentamientos. La identificación del tipo de suelo será tratado en este trabajo. La determinación de parámetros geotécnicos se realiza mediante el uso de correlaciones empíricas. Alternativamente, métodos directos, sin la determinación previa de parámetros, son utilizados para estimar capacidad de carga y asentamientos. Además de estas aplicaciones, ya rutinarias en la práctica geotécnica, en los últimos años se lo comenzó a emplear en estudios ambientales para determinar la composición y distribución de contaminantes en el suelo (Lunne y otros, 1997). Identificación del tipo de suelo utilizando el ensayo de penetración cónica Uno de los principales usos que tiene el CPT, es el de identificar el perfil del suelo. Esto puede lograrse con un grado de detalle mucho mayor que el alcanzado a partir de sondeos convencionales, debido a que el resultado obtenido es un perfil continuo de las propiedades del subsuelo. Diversos investigadores han propuesto identificar el tipo de suelo en función de la resistencia de punta (qc) y la relación de fricción (Rf = fs / qc), para lo cual propusieron utilizar gráficos o tablas de clasificación basadas en correlaciones empíricas (e.g. Begemann, 1963; Schmertmann, 1969; Searle, 1979; Douglas y Olsen, 1981; Robertson y otros 1986). Estas clasificaciones se basan en tempranas observaciones realizadas en Holanda, las cuales indicaban que suelos arenosos tienden a producir alta resistencia de punta y baja relación de fricción, mientras que suelos arcillosos blandos tienden a producir baja resistencia de punta y alta relación de fricción. En este sentido, estudios utilizando el ensayo de CPT mecánico fueron iniciados por Begemann (1965) y continuados posteriormente por Schmertmann (1969). Searle (1979), incorporó los resultados de un gran número de ensayos proponiendo un gráfico de clasificación en función de las magnitudes de (qc) y (Rf) utilizando el CPT mecánico. Para el caso de punteras eléctricas de geometría normalizada, Douglas y Olsen (1981) propusieron un gráfico cuyas correlaciones se basan en un gran número de resultados de ensayos del Este de Estados Unidos. Posteriormente, y basados en una base de datos expandida, Robertson y otros (1986) presentaron un gráficos de clasificación de suelos que es ampliamente utilizado en la actualidad, el cual se reproduce en la Figura 1. Meigh (1987), resalta la necesidad de continuar profundizando el estudio de la identificación de suelos mediante el empleo del CPT a través de la comparación de los resultados obtenidos con la identificación directa en un sondeo testigo. Enfatiza aún que experiencias locales podrían diferir de los estudios ya realizados en otros sitios. La experiencia local respecto al uso del CPT puede decirse que es muy reciente, ya que el mismo fue incorporado a mediado de los años 90. Sin embargo, su utilización continua y sistemática en estudios geotécnicos hace que hoy se cuente con una base de datos lo suficientemente grande como para verificar la aplicación de correlaciones internacionales a los suelos locales.

qc

fs fs

a) b)

ZONA TIPO DE SUELO ZONA TIPO DE SUELO 1 Suelo fino sensitivo 7 Arena limosa a limo arenoso 2 Material orgánico 8 Arena a arena limosa 3 Arcilla 9 Arena 4 Arcilla limosa a arcilla 10 Arena gravosa a arena 5 Limo arcillosos a arcilla limosa 11 Suelo fino muy rígido 6 Limo arenoso a limo arcilloso 12 Arena a arena arcillosa

Figura 1: Gráfico para la identificación de suelos propuesto por Robertson y otros (1986).

MATERIALES Y METODOS

El objetivo del presente trabajo es el de verificar la aplicación del método de identificación de suelos propuesto por Robertson y otros (1986) a suelos sedimentarios del NEA. Con este objetivo se analizaron una basta serie de ensayos de CPT ejecutados en distintos puntos de las provincia del Chaco y Corrientes. En los ensayos se utilizó un equipamiento estándar de acuerdo a las indicaciones dadas por la ISSMFE (International Society Soil Mechanics and Foundation Engineering) en 1977. Asimismo, los procedimientos de ensayos siguieron las recomendaciones de la Norma ASTM D3441-86 y de la Norma Brasileña MB-3406. El equipo utilizado consta fundamentalmente de una punta eléctrica normalizada (tipo R), un sistema electrónico de adquisición de datos y un sistema de empuje de accionamiento hidráulico con una capacidad de 18 ton (Figura 2). Los ensayos de penetración cónica permitieron obtener un perfil continuo de las propiedades del suelo hasta profundidades variables, registrándose valores de resistencia de punta (qc) y fricción lateral (fs) desde la superficie del terreno y a intervalos de 5 cm. En todos los casos, los ensayos de CPT fueron comparados con sondeos testigos de los cuales se extrajeron muestras que fueron clasificadas en laboratorio. RESULTADOS OBTENIDOS

Un resultado típico de los ensayos analizados se presenta en en la Figura 3. En los tres primeros gráficos de esta Figura se representan, en función de la profundidad, la resistencia de punta (qc), la fricción lateral (fs) y la relación de fricción (Rf). El gráfico que se encuentra a la derecha de Rf representa el tipo de suelo que resulta de utilizar la carta de clasificación de Robertson y otros (1986). Puede observarse el alto grado de detalle obtenido en la estratigrafía del subsuelo. Finalmente, en el extremo derecho se colocó la estratigrafía del suelo obtenida en el sondeo testigo ejecutado en proximidades del anterior y con el cual se compararon los resultados del CPT. En la Figura 4 se representó en abscisas el tipo de suelo según la clasificación dada por el ensayo de CPT de acuerdo a la carta de Robertson y otros (1986), y en ordenadas el tipo de suelo aplicando el S.U.C.S. (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos) para muestras de igual profundidad extraídas del sondeo testigo. Sobre el cien por ciento de muestras que pertenecen a un determinado tipo de suelo según el CPT, el tamaño de los círculos representa el porcentaje de resultados que pertenecen a un determinado tipo de suelo según el S.U.C.S. Así por ejemplo, para el

ENSAYO ELÉCTRICO DE PENETRACIÓN CÓNICA - CPT

Resistencia de Puntaqc [kg/cm2]

Tipo de Suelo (según CPT)

fs [kg/cm2]Relación de Fricción

Rf [%]Fricción Lateral

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

0 50 100 150 200 250

Pro

fund

idad

[m]

0.0 0.5 1.0 0 5 10

PERFIL DE

Suelo Orgánico

Prof.: 3,50 a 6,50 m

Limo de baja plasticidad

SUELO(Según el S.U.C.S.)

Fuente: SPT

Prof.: 1,00 a 3,50 m

Arcilla de baja plasticidad

Arena Mal Graduada

SP

Prof.: 6,50 a 15,50 m

Arena Limosa

SM

Prof.: 15,50 a 16,50 m

ML

CL

tipo 3 según el CPT (Arcilla) existe un 65 % de muestras que clasificaron como CH y un 15 % que clasificaron como CL. La cantidad de datos analizados en la Figura 4 fue de 69.

VISTA FRONTAL VISTA LATERAL

Figura 2: Esquema general del equipo de CPT utilizado en los ensayos del presente estudio.

Figura 3: Resultado típico de un ensayo de CPT. Comparación entre la clasificación de suelos que surge del CPT y la obtenido en un sondeo testigo de SPT.

CONCLUSIONES

1) En todos los casos analizados, se encontró una buena concordancia entre la estratigrafía del tipo de suelo obtenida a partir del ensayo de CPT y la obtenida en los sondeos testigo. 2) Los ensayos de CPT permitieron obtener un grado de detalle mucho mayo de la estratigrafía del subsuelo que los ensayos de SPT, posibilitando identificar pequeños mantos con diferentes tipos de suelo. 3) Si bien el universo de datos analizado (69 muestras) no es de gran magnitud y debe ser ampliado, la Figura 4 indica en forma preliminar que para los suelos de la región existe una buena correlación entre la carta de clasificación de Robertson y otros (1986) y el tradicional S.U.C.S.

ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN

65

35

15

85

17

83 25

75 100 27

73 50

50

100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

CLASIFICACIÓN SEGÚN ENSAYO DE CPT

CLA

SIF

ICA

CIÓ

N S

EG

ÚN

EL

S.U

.C.S

.

ARENA MAL GRADUADA (SP)

ARENA ARCILLOLIMOSA (SP-SM)

ARENA LIMOSA (SM)

LIMO DE BAJAPLASTICIDAD (ML)

ARCILLA LIMOSA DE BAJA PLASTICIDAD (CL-ML)

ARCILLA DE BAJA PLASTICIDAD (CL)

ARCILLA DE ALTA PLASTICIDAD (CH)

Figura 4: Comparación entre la clasificación de suelos obtenida a partir de ensayos de CPT y la obtenida mediante

el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) sobre muestras extraídas en sondeos testigos. BIBLIOGRAFIA

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SEARLE, I.W. The interpretation of Begemann friction jacket cone results to give soil types and design parameters. In: EUROPEAN CONFERENCE ON SOIL MECHANICS AND FOUNDATION ENGINEERING, 7., 1979, Brighton. Proceedings... Rotterdam: A.A.Balkema, 1979. v.2, p.265-270.

WROTH, C.P. The interpretation of in situ soil test. Géotechnique, London, v.34, n.4, p.449-489, Dec. 1984.