CARACTERIZACIÓN DE UN SITIO MEDIANTE CPTU

5/27/2018 CARACTERIZACIN DE UN SITIO MEDIANTE CPTU

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FACULTAD DE INGENIERIAMaestra en Ingeniera Civil

Trabajo de Grado

Caracterizacin de un sitio mediante ensayo de CPTU

Presentado por:

Gonzalo Daz Trillos

DirectorJorge Alberto Rodrguez

Bogot D.C.Mayo de 2011


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Contenido1. INTRODUCCIN .......................................................................................................................... 6

1.1 Objetivo general ................................................................................................................ 7

1.2 Objetivos especficos ......................................................................................................... 7

1.3 Exploracin del subsuelo .................................................................................................. 7

1.4 Ensayos in situ ................................................................................................................... 7

1.4.1 Ensayos no destructivos .............................................................................................. 9

1.4.2 Ensayos de penetracin ............................................................................................... 9

1.5 Sitios de experimentacin geotcnica ............................................................................ 10

2 RECOPILACIN DE DATOS E INFORMACIN ACERCA DEL SITIO DELENSAYO .......................................................................................................................................... 11

2.1 Localizacin ..................................................................................................................... 11

2.2 Geologa regional ............................................................................................................. 12

2.3 Geologa local ................................................................................................................... 14

2.4 Caracterizacin del sitio mediante ensayo de SPT....................................................... 15

2.5 Ensayo de downhole ........................................................................................................ 20

3 EL ENSAYO DE PIEZOCONO (CPTU) ............................................................................. 22

3.1 Descripcin general ......................................................................................................... 22

3.2 Historia ............................................................................................................................. 253.3 Equipo de piezocono ....................................................................................................... 29

3.4 Procedimiento de ensayo ................................................................................................ 33

3.5 Interpretacin del ensayo de piezocono ........................................................................ 37

3.5.1 Clculos iniciales ...................................................................................................... 37

3.5.2 Perfil estratigrfico del suelo .................................................................................... 41

3.5.3 Clculo de parmetros geotcnicos del suelo y correlaciones.................................. 43

4 RESULTADOS ........................................................................................................................ 49

4.1 Clasificacin del tipo de suelo ........................................................................................ 50

4.1.1 Anlisis no normalizados .......................................................................................... 50

4.1.2 Anlisis normalizado ................................................................................................. 52

4.2 Resistencia al corte no drenada ............................................................................... 55


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4.3 Angulo de friccin ........................................................................................................... 56

4.4 Historia de esfuerzos relacin de sobreconsolidacion rsc......................................... 57

4.5 Velocidad de onda de corte............................................................................................. 58

4.6 Correlacin ensayo SPT y CPTu ................................................................................... 59

5 ANLISIS DE RESULTADOS ............................................................................................. 63

5.1 Perfil estratigrfico del suelo .......................................................................................... 63

5.2 Resistencia al corte no drenado ..................................................................................... 65

5.3 ngulo de friccin interna del suelo .............................................................................. 65

5.4 Historia de esfuerzos relacin de sobreconsolidacion rsc......................................... 65

5.5 Velocidad de onda de corte............................................................................................. 66

5.6 Correlacin de ensayo de SPT y CPTu (valor n60)...................................................... 66

6 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 68

7 BIBLIOGRAFA ..................................................................................................................... 70


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Lista de Figuras

Figura 1. Ensayos de penetracin ms comunes. ................................................................................ 9Figura 2. Ubicacin sitio del ensayo finca La pelusa.................................................................... 12Figura 3. Geologa Regional. Escala plano original 1:100.000......................................................... 13Figura 4. Geologa local para ingeniera. Escala plano original 1:25.000. ....................................... 14Figura 5. Perfil estratigrfico del suelo, valores SPT y ensayos de laboratorio. ............................... 16Figura 6. Perfil estratigrfico del suelo, valores SPT y ensayos de laboratorio. ............................... 17Figura 7. Resultados del valor de NSPT en la perforacin. .............................................................. 18Figura 8. Porcentaje de finos en profundidad ................................................................................... 17Figura 9. Lmites de Atterberg del perfil de suelos. .......................................................................... 18Figura 10. Ensayo de Down Hole. .................................................................................................... 20

Figura 11. Velocidad de onda de corte. ............................................................................................. 21Figura 12. Perfil de velocidades establecido mediante lnea ReMi .. ............................................... 22Figura 13. Ensayo de piezocono. ...................................................................................................... 23Figura 14. Mediciones en tiempo real del piezocono. ....................................................................... 24Figura 15. Principios del cono holands mecnico. .......................................................................... 26Figura 16. Primera mquina de hincado de un penetrometro de cono. ............................................. 26Figura 17. Penetrometro mecnico de cono holands con un manto cnico. ................................... 27Figura 18. Penetrometro de cono con fuste de friccin de Begemann. ............................................. 28Figura 19. Primera clasificacin del tipo de suelo por utilizando penetrometro de cono. ................ 28Figura 20. Esquema del penetrometro de cono. Posicion u2. ........................................................... 30Figura 21. Esquema del penetrometro de cono. ................................................................................ 30Figura 22. Piezocono utilizado en el ensayo. .................................................................................... 31Figura 23. Tipos de varillaje. ............................................................................................................ 31Figura 24. Vehculo de hinca piezocono. .......................................................................................... 32Figura 25. Sistema de anclaje al terreno. .......................................................................................... 32Figura 26. Sistema de adquisicin de datos. ..................................................................................... 33Figura 27. Anclaje del equipo. .......................................................................................................... 34Figura 28. Preparacin del cono para mediciones de presin de poros dentro del piezocono. ......... 35Figura 29. Hinca del piezocono. ....................................................................................................... 36Figura 30. Encamisado de la excavacin. ......................................................................................... 36Figura 31. Parte del anclaje doblado. ................................................................................................ 37

Figura 32. Tablas de clasificacin de suelo no normalizadas utilizando el ensayo CPTu. ............... 41Figura 33. Tablas de clasificacin de suelo utilizando el ensayo CPTu normalizadas. .................... 42Figura 34. Correlaciones SPT-CPT a travs del tamao de grano. ................................................... 46Figura 35. Resultados del ensayo de piezocono, resistencia por punta, resistencia a la friccin ypresin de poros inducida por la penetracin. ................................................................................... 50Figura 36. SBT no normalizado. ....................................................................................................... 51Figura 37. SBT no normalizado. ....................................................................................................... 52


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Figura 38. ndice de comportamiento en profundidad del tipo de suelo, ...................................... 52Figura 39. Resultados del ensayo de piezocono normalizados, resistencia por punta normalizada,resistencia a la friccin normalizada y presin de poros inducida por la penetracin normalizada. 53Figura 40. SBT con los datos normalizados. ..................................................................................... 54

Figura 41. SBT normalizado. ............................................................................................................ 55Figura 42. ndice de comportamiento en profundidad del tipo de suelo, , normalizado ................ 55Figura 43. Resistencia al corte no drenado. ...................................................................................... 56Figura 44. Angulo de friccin. .......................................................................................................... 57Figura 45. Relacin de sobreconsolidacin. ..................................................................................... 58Figura 46. Velocidad de onda de corte. ............................................................................................. 59Figura 47. Valor de N60hallado a travs del ensayo de piezocono. .................................................. 60Figura 48. Comparacin N60calculado del ensayo de CPTu y del SPT. .......................................... 61Figura 49. Porcentaje de tipo de material PClass-CPT. .................................................................... 62

Lista de Tablas

Tabla 1. Ensayos in-situ. ..................................................................................................................... 8Tabla 2. Ventajas y desventajas del ensayo CPTU. .......................................................................... 24Tabla 3. Relaciones de ................................................................................................ 47


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1. INTRODUCCIN

La clasificacin y caracterizacin de suelos es uno de los primeros pasos a realizar en todoproyecto de ingeniera, entre mejor se conozcan los parmetros y comportamiento del sueloen un sitio mejor se podr disear y realizar proyectos de ingeniera. En Colombia laclasificacin y caracterizacin del suelo muchas veces no se realizan mediante ensayos delaboratorio confiables, la exploracin no se realiza con muestras continuas y, en la mayorade los casos, las muestras son alteradas pues al extraerlas se modifica su comportamiento.Adems, estos ensayos de laboratorio de caracterizacin de suelos son procesos queconsumen una gran cantidad de tiempo, aumentado por el que transcurre entre la toma demuestras y la realizacin de los ensayos; para mejorar la confiabilidad a los procesos declasificacin y caracterizacin de suelos es conveniente la realizacin de ensayos in situ

que permitan obtener un perfil de comportamiento del suelo tal y como se encuentra en elterreno, en tiempo real, de manera continua y cuyos resultados no varen de acuerdo con eloperador.

Para hacer una adecuada caracterizacin de un perfil de suelo es necesario utilizar mtodosque permitan conocer el comportamiento de este tal como se encuentra en el sitio. Elensayo CPTU (cone penetration test, la U es porque mide la presin de poros) es un ensayoestandarizado que penetra el suelo a una velocidad constante y genera lecturas en tiemporeal que permiten una adecuada caracterizacin de un perfil de suelo. En el presente trabajode grado se realiza un ensayo de piezocono, se hace una caracterizacin del perfil

estratigrfico que se tiene a travs del comportamiento mecnico del sitio y se calculandiferentes parmetros geotcnicos del suelo. Estos resultados se comparan con otrosensayos in situ ya realizados, con resultados de ensayos hechos a travs de extraccin demuestras y del perfil observado al extraerlas. En este proyecto se puede ver cmo el ensayode piezocono arroja valores muy similares a los hallados con otros mtodos, estocombinado a las ventajas de tener mediciones a lo largo de todo el perfil, las cuales fuerontomadas en un menor tiempo y dan un completo perfil y caracterizacin del tipo de suelo.

Este proyecto es tambin un avance para realizar en este lugar, una zona deexperimentacin geotcnica, la cual es de gran valor, ya que en ellos se realizan diferentestipos de medidas del mismo material, de la misma zona y ubicacin. Estos sitios permitentener un conocimiento adecuado del terreno en trminos de interpretacin debido a losdiversos mtodos que se usan para caracterizar el suelo. En estos sitios de experimentacingeotcnica, los parmetros geotcnicos adquiridos por mtodos analticos y por modelosnumricos pueden ser calibrados correctamente con el registro de los datos obtenidos.


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1.1Objetivo general Caracterizar un perfil geotcnico para el sitio de experimentacin geotcnica en el

municipio de Facatativa por medio de un ensayo de CPTU.

1.2Objetivos especficos Realizar un ensayo CPTU en el sitio de experimentacin geotcnica. Interpretar datos CPTU en el sitio de experimentacin geotcnica para obtencin de

parmetros de cu, y Rsc.

Comparar resultados del ensayo de CPTU y del ensayo SPT, revisando lascorrelaciones que se han propuesto entre estos ensayos, para determinar cul es la

ms apropiada para el sitio. Analizar los datos de CPTU y datos de ensayos previos (SPT, SPT instrumentado,

dispersin de ondas superficiales, DownHole, ensayos de laboratorio) para definirun perfil geotcnico (estratigrfico y de parmetros geomecnicos) del sitio deexperimentacin geotcnica.

1.3Exploracin del subsueloEn todo proyecto de ingeniera civil es necesario hacer una exploracin del terreno quepermita hacer una clasificacin de ste, su estado natural y el estado del agua. Conocer el

terreno es uno de los primeros pasos para el posterior diseo de obras. Una adecuadaexploracin del subsuelo con sus respectivos estudios e investigaciones evita posiblesinconvenientes futuros que perjudiquen la realizacin de una obra de ingeniera.

Por ello se realiza normalmente una extraccin de muestras mediante perforaciones, yasean alteradas o inalteradas, del terreno; stas son enviadas al laboratorio para sucaracterizacin. El objetivo de esto es determinar las propiedades del suelo, roca y aguapresentes en todo el terreno.

1.4Ensayos in situ

Para complementar los resultados de las muestras que son enviadas al laboratorio esnecesario hacer ensayos in situ, los cuales dan una mejor aproximacin de cmo se estcomportando el terreno en el sitio. Existen dos tipos de ensayos in situ que se puedenrealizar: los no destructivos de tipo geofsico, como la refraccin ssmica (SR), la medicinde ondas superficiales y el ensayo de Downhole (DHT) o los ensayos invasivos de


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penetracin como el ensayo de Penetracin Estndar (SPT), el ensayo de penetracin decono, el piezocono CPTu, el presurmetro (PMT), el dilatmetro de placa y el ensayo decorte en veleta (VST). En la siguiente tabla (tabla 1) tomada de (Schneid 2005) se puedenobservar algunos de los ensayos in situ ms comunes para caracterizacin de suelo, su

categora, parmetros de medicin y aplicaciones prcticas ms usadas.

Tabla 1. Ensayos in-situ.

Categora Ensayo Designacin Medicin Comn aplicacin

Ensayos nodestructivos osemidestructivos

Ensayos geofsicos:

Refraccin ssmica SR Ondas P en lasuperficie

Ondas superficialesSASW

Ondas R en lasuperficie Caracterizacin del terreno

rigidez a pequeas

deformaciones GoEnsayo crosshole CHT

Ondas P & S en

perforaciones

Ensayo downhole DHTOndas P & S enuna perforacin

profundaEnsayos de

presurmetro: Modulo de corte, G

Pre excavado PMT G,( x ) curvaResistencia al corte in situesfuerzo horizontal

Auto excavado SBPM G,( x ) curva Propiedades de consolidacin

Placa de carga PLT Curva (L x)Rigidez y resistencia

Ensayos depenetracininvasivos

Ensayo de penetracin

con cono: Perfil del sueloElctrico CPT , Resistencia al cortePiezocono CPTU ,, u Densidad relativa propiedadesde consolidacinEnsayo de penetracinestndar

SPTPenetracin (valor

N)Perfil del suelo ngulo defriccin interna

Dilatmetro de placaplana

DMT , Rigidez Resistencia al corteEnsayo de rigidez deVane

VST TorqueResistencia al corte nodrenada, Su

Ensayoscombinados(invasivos +

no destructivo)

Presurometro de cono CPMT ,, (+u), G,( x)- Perfil del suelo

- Modulo de rigidez, G- Resistencia al corte-Propiedades de consolidacin

Cono ssmico SCPT ,, , , (+u)-Perfil del suelo- Resistencia al corte- Rigidez a pequeas- deformaciones, Go- Propiedades de consolidacin


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Cono de resistividad RCPT ,,-Perfil del suelo- Resistencia al corte- porosidad del suelo

Dilatmetro ssmico, , , -Rigidez (G y Go)- Resistencia al corte

Fuente: (Schneid 2005)

1.4.1 Ensayos no destructivosLos mtodos geofsicos son ensayos no destructivos que se realizan generalmente ensuperficie, estos permiten determinar parmetros como densidad, conductividad elctrica yvelocidad de propagacin de ondas.

1.4.2 Ensayos de penetracinEn la tabla 1 se muestra brevemente cules son los ensayos de penetracin ms comunes.En figura 1 tomada de ( Mayne 2001) se puede apreciar grficamente estos ensayos, acontinuacin se har una breve descripcin del CPTU.

Figura 1. Ensayos de penetracin ms comunes.Fuente de ( Mayne 2001)

El Ensayo de piezocono (CPTU) consiste en hincar un cono dentro del suelo a unavelocidad de 2 cm/s, este cono mide en tiempo real la resistencia por punta, la friccin que


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haya en el fuste y la presin de poros inducida por la penetracin. Es un buen mtodo parahacer un perfil completo del suelo ya que toma mediciones continuas. En la seccin tres seexplicar detalladamente en qu consiste este ensayo y cmo analizar los resultados.

1.5Sitios de experimentacin geotcnicaLos sitios de experimentacin geotcnica internacional (IGES international geotechnicalexperimentation sites) son de especial valor para la comprensin del comportamiento de lossuelos, as como la interpretacin de datos de diferentes ensayos ha sido el comienzo deestos sitios de ensayo (Benot y Lutenegger 2000). En este momento existen 60 de estossitios, en la totalidad de los casos, los IGES son programas de investigacin que se hanestado realizando durante muchos aos, a menudo desde varias dcadas. Sin embargo, en lamayora, todava no se han respondido plenamente todas las interrogantes respecto alcomportamiento de las distintas formaciones de estos suelos en particular (Mayne y Brown

2003).

Los sitios de experimentacin geotcnica son de gran valor debido a que muchos tiposdiferentes de mediciones se toman en el mismo material, en la misma zona y ubicacin. Locual permite reducir al mnimo los problemas de variabilidad del terreno. De esta forma sepuede determinar una forma de "verdad del terreno" en trminos de interpretacin y losdatos de las pruebas de laboratorio se pueden comparar con los resultados de pruebas decampo (Mayne, Coop, y otros 2009). En estos sitios, es posible calibrar correctamenteparmetros geotcnicos adquiridos de mtodos analticos y modelos numricos. Adems, sepueden desarrollar correlaciones empricas o analticas entre los diferentes mtodos deensayo. Tener diferentes mtodos de interpretacin es realmente til en la caracterizacingeotcnica del sitio, debido a que no hay un solo procedimiento para la evaluacin de losparmetros para todo tipo de suelos. Por lo tanto, mltiples mtodos pueden ser adoptadosde forma paralela para su evaluacin o rango de valores.


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2 RECOPILACIN DE DATOS E INFORMACIN ACERCA DELSITIO DEL ENSAYO

El sitio donde se realiza el estudio presente ya ha sido objeto de otros estudios presentadoscomo proyectos de grado. Por lo tanto, se utilizar esa informacin previa que se tiene delsitio para la elaboracin de este proyecto. Especficamente, se recurrir a la informacin delproyecto de grado de Vctor Hugo Restrepo Botero titulado Interpretacin del ensayo depenetracin estndar instrumentado y su relacin con la prueba dinmica de carga enpilotes.

2.1LocalizacinLa perforacin se realiz en la finca La Pelusa, sta se encuentra en el municipio deFacatativa (Departamento de Cundinamarca Colombia). Las coordenadas aproximadasorigen Bogot del punto de perforacin fueron 1025533N, 974351E levantadas con un GPSnavegador. La altura sobre el nivel del mar del punto de perforacin es deaproximadamente 2600 msnm (Restrepo 2010).

En la siguiente figura (figura 2) se presenta la localizacin detallada del lugar donde sellev a cabo el trabajo de campo.


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Figura 2. Ubicacin sitio del ensayo finca La pelusa.Fuente: Mapas INVIAS.gov.co y Google Earth. Adaptado por (Restrepo 2010)

2.2Geologa regionalDe acuerdo al plano escala 1:100.000 de geologa para la Sabana de Bogot (Figura 3), enesta zona se encuentran depsitos de pendiente (Q2c) de bloques envueltos en matriz limoarenosa y la Formacin Subachoque (Q1su) que tiene depsitos de capas de arcillas yarenas. Regionalmente se observa que la geologa est enmarcada estructuralmente dentrodel sistema de fallas de Facatativa.


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Figura 3. Geologa Regional. Escala plano original 1:100.000.Fuente: Mapa Geolgico de Bogot. Ingeominas. Adaptado por (Restrepo 2010)


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2.3Geologa localAl detallar con una escala 1:25.000 la geologa con aplicacin para fines de ingeniera(Figura 4) se confirma que la perforacin est localizada en depsitos coluviales recientescon granulometra fina, en donde la composicin predominante es areno-arcillosa de laformacin Subachoque (Strc3) (Restrepo 2010).

Figura.4 Geologa local para ingeniera. Escala plano original 1:25.000.Fuente: Plancha 227- II-C. Ingeominas. Adaptado por (Restrepo 2010)


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2.4Caracterizacin del sitio mediante ensayo de SPTEn el sitio se encontraba una caracterizacin del perfil estratigrfico, sta se realiz a travs

de la descripcin visual realizada en campo para cada una de las muestras extradas, laidentificacin de cambios en el lodo de lavado y su color, as como los resultados delaboratorio (Restrepo 2010). En esta perforacin se recuperaron muestras cada 1 y 1.5m. Enlas figuras 5 y 6 se pueden apreciar los resultados de laboratorio, el valor N del SPT y ladescripcin del perfil estratigrfico del suelo.


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Figura 5. Perfil estratigrfico del suelo, valores SPT y ensayos de laboratorio.Fuente: (Restrepo 2010)


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Figura 6. Perfil estratigrfico del suelo, valores SPT y ensayos de laboratorio.Fuente: (Restrepo 2010)


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En la figura 7 se puede observar el valor exacto de en toda la profundidad con el valorgraficado de ste. En total se tomaron 25 mediciones en 30 metros de profundidad.

Figura 7. Resultados del valor de NSPT en la perforacin.Fuente: (Restrepo 2010)

En la figura 8 se puede observar el porcentaje de finos hallados por medio de ensayos delaboratorio. En la figura 9 se encuentra los lmites de Atterberg y las humedades naturales

del terreno.


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Figura 8. Porcentaje de finos en profundidad. Fuente (Restrepo 2010)

Figura 9. Lmites de Atterberg del perfil de suelos. Fuente (Restrepo 2010)


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2.5Ensayo de downholeEn este ensayo se mide la velocidad de propagacin de ondas de corte desde la superficie

hasta distintas profundidades en que se instala la sonda. Para este ensayo se hace primerouna perforacin la cual se encamisa de tal forma que la tubera con la que se realiza quedeadherida al suelo. Una vez se tiene de esta forma la perforacin, se coloca un receptor adistintas profundidades del suelo dentro de la perforacin por medio de una sonda y se poneuna fuente emisora de energa en la superficie. En la figura 10 se puede observar unesquema de cmo se realiza este ensayo. Mediante la diferencia en las llegadas de ondashasta las distintas profundidades, puede calcularse el perfil de velocidades de propagacinen el suelo.

Figura 10. Ensayo de Down Hole.Fuente: ( Mayne 2006)

(Aponte Gonzlez 2010), presenta resultados de un ensayo de Down Hole situado en lamisma perforacin donde (Restrepo 2010) realiz el ensayo de SPT en la finca La Pelusa.Durante el encamisado de la perforacin de este ensayo no fue posible inyectar lechadacorrectamente para lograr una adecuada adhesin entre la tubera y el suelo, por esta raznestos resultados pueden presentar incertidumbre. En la figura 11 se pueden apreciar losresultados de la velocidad de onda de corte para este ensayo.


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Figura 11. Velocidad de onda de corte.Fuente: (Aponte Gonzlez 2010)

Adicionalmente en la figura 12 se puede apreciar el perfil de velocidades hallado a travsde lnea ReMI para el sitio.


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F igu ra 12. Perf il de velocidades establecido mediante lnea ReM i.Fuente: (Aponte Gonzlez 2010)

3 EL ENSAYO DE PIEZOCONO (CPTU)3.1Descripcin generalEl ensayo de piezocono o CPTU es un ensayo de penetracin esttica, el cual tiene un

sensor que permite registrar la presin de poros. El ensayo consiste en hincar a presin uncono sujetado por un varillaje a una velocidad constante de 2cm/s, este dispositivo conpunta cnica mide en tiempo real el esfuerzo necesario para la penetracin por punta , lafriccin que se desarrolla en el fuste durante la penetracin y la presin de poros. Lafigura 13 muestra un esquema de un equipo de piezocono con sus partes y donde se tomanlas mediciones.


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Figura 13. Ensayo de piezocono.Fuente: ( Mayne 2007)

Esta clase de ensayo es in situ e indica cmo es el perfil estratigrfico en la zona sinnecesidad de sacar muestras que necesitan de pruebas de laboratorio, ni requiere de realizaruna inspeccin visual sobre el tipo de suelo que se encuentra, puesto que por medio de esteensayo no se pueden extraer muestras. El ensayo da una idea de qu tipo de suelo seencuentra a travs de su comportamiento mecnico, es decir, la rigidez y resistencia queeste tenga. La figura 14 presenta qu resultados da el piezocono y cmo a travs de stos sepuede clasificar el suelo.


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Figura 2. Mediciones en tiempo real del piezocono.Fuente: (Mayne 2006)

En la anterior figura se puede apreciar que el esfuerzo por punta es alto y la presin deporos es baja cuando se encuentran arenas; mientras que en las arcillas existe una presinde poros alta y se requiere de menos esfuerzo para la penetracin.

El ensayo CPTU es un ensayo que, a diferencia del SPT, no vara dependiendo del operador

ni de la masa que utilice. Es un ensayo estandarizado que penetra el suelo a una velocidadestndar acorde con las normas, y genera lecturas en tiempo real que permiten unaadecuada caracterizacin de un perfil de suelo. En la tabla 2 se observan algunas ventajas ydesventajas que tiene el ensayo de piezocono.

Tabla 2. Ventajas y desventajas del ensayo CPTU.

VENTAJAS DESVENTAJAS

Proporciona medidas rpidas ycontinuas del perfil de suelo

Requiere un operador mas calificado

Es un ensayo econmico y productivoLos elementos electrnicos requierende una calibracin y de un cuidado

especial en terreno


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Los resultados no dependen deloperador

No se obtienen muestras de suelo

Tiene buenas bases tericas para lainterpretacin

El ensayo no sirve para todo tipo dematerial

Fuente: (Mayne 2006)

Este es un ensayo aplicable slo en suelos blandos como arcillas o arenas que no estnmuy compactadas, puesto que en suelos muy duros o en suelos donde haya presencia derocas no es aplicable dado que el piezocono se puede averiar al no poder penetrarelementos muy duros.

3.2Historia Cono Holands (1932)

Los primeros ensayos con un penetrometro de cono fueron realizados con un tubo de gas de35 mm de dimetro exterior y con un varillaje de acero interior de 15 mm. El penetrometroposea una punta de cono con 10 cm2 de rea y un ngulo de 60. Esto se adjunt a lasvarillas de empuje interno de acero. En la figura 15 muestra un esquema de este cono.

Penetrmetro hincado por presin (1935)Laboratorio de Mecnica de Suelos Delf (Delf Soil Mechanics Laboratory) dise la

primera mquina para el empuje (hinca) del penetrometro de cono. Esta mquina eraoperada manualmente y poda ejercer una fuerza de 10 toneladas. En la figura 16 se puedeapreciar esta primera mquina.


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Figura 3. Principios del cono holands mecnico.Fuente: (Robertson y Cabal 2010).

Figura 4. Primera mquina de hincado de un penetrometro de cono.Fuente: (Robertson y Cabal 2010)


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Mejoras al cono holands (1948)Se mejor el cono holands mecnico original aadindole una parte cnica justo porencima de la punta del cono. El propsito de esta nueva geometra era evitar que el sueloentrara en el espacio entre las barras interiores y las exteriores. En la figura 17 se puedenapreciar algunos de estos diseos de cono que siguen en funcionamiento en ciertas partesdel mundo (Robertson y Cabal 2010).

Figura 175. Penetrmetro mecnico de cono holands con un manto cnico.Fuente: (Robertson y Cabal 2010)

Medicin de friccin en el cono (1953)Se adicion un fuste de friccin (chaqueta de adhesin) detrs de la punta cnica para

incluir mediciones de la friccin que presentara el terreno (Robertson y Cabal 2010). En lafigura 18 se muestra estos primeros fustes para medir la friccin. Las mediciones serealizaban cada 20 cm y por primera vez, se empez a usar la relacin de friccin parahacer una clasificacin del tipo de suelo. Esta clasificacin puede observarse en la figura19.


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Figura 68. Penetrometro de cono con fuste de friccin de Begemann.Fuente: (Robertson y Cabal 2010)

Figura 19. Primera clasificacin del tipo de suelo por utilizando penetrometro de cono.Fuente: (Robertson y Cabal 2010)


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Cono elctrico (1965)Fue desarrollado un cono elctrico. La forma y dimensiones de este tipo de cono son las

bases para los actuales conos modernos y las referencias internacionales para ensayos yprocedimientos de la ASTM. Las principales mejoras introducidas a los penetrometros decono mecnicos a travs de este nuevo tipo de cono fueron:

Se eliminaron las lecturas incorrectas debido a la friccin entre el varillaje interior yexterior antes usado y errores debido al peso interior de este tipo de varillajes.

Se empezaron a hacer ensayos continuos con una velocidad de penetracin continuasin la necesidad de alternar movimientos de diferentes partes del penetrometro y sinmovimientos de suelo no deseados que influenciaran la resistencia del cono.

Se simplific y se empezaron a hacer medidas elctricas ms confiables de laresistencia por punta y la friccin en el fuste.

Cono con medicin de presin de poros (1974)Se introdujeron los primeros penetrometros de cono, los cuales pueden medir tambin lapresin de poros. Estos son los primeros piezoconos. Los primeros diseos tuvieron unavariedad de formas y de ubicaciones del filtro para medir la presin de poros que a travsde la prctica se ha ido estandarizando para que la posicin del filtro recomendadas estjusto despus de la punta del cono. Con la introduccin de mediciones de presiones deporos se descubri la necesidad de corregir la resistencia del cono por punta debido a las

presiones de poros, esto especialmente en arcillas blandas (Robertson y Cabal 2010).

3.3Equipo de piezoconoEl equipo consta de los siguientes componentes:

Cono: la punta del cono es de 60 y 10 cm2de rea en la base, el fuste donde se mide lafriccin es de 150 cm2de rea. El cono tiene un dimetro exterior de 35,7 mm y entre lapunta y el fuste donde se mide la friccin tiene un sensor que mide las presionesintersticiales que se inducen a causa de la penetracin de la punta tambin es posible

realizar ensayos de disipacin para conocer las presiones de agua en el suelo y laconductividad hidrulica (ASTM-D5778-07). El cono utilizado permite medir la resistenciapor punta qc y la resistencia por friccin fs por medio de sensores de presin quetransmiten la informacin a la superficie a de manera inalmbrica.

En la figura 20 se muestran distintos tipos de cono y sitios donde se puede tomar lamedicin de u. En la figura 21 se puede apreciar en un esquema el cono con sus partes, en


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qu lugares se mide cada uno de los parmetros y qu variable toman. En la figura 22 sepuede observar una fotografa del cono del piezocono utilizado en el ensayo.

Figura 20. Esquema del penetrometro de cono. Posicin u2Fuente: (ASTM-D5778-07 2007)

Figura 7. Esquema del penetrometro de cono.Fuente: (Devincenzi y Frank 2004)


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Figura 228. Piezocono utilizado en el ensayo.

Varillaje: son los distintos tipos de varillaje que sirven para la hinca del piezocono. stospueden ser de dos tipos, el primero se usa para hincar el piezocono y el segundo se usa paraencamisar la excavacin en mayores profundidades y evitar as que la friccin generada a lolargo de todo el varillaje dificulte la penetracin. En la figura 23 se puede observar unafotografa de los dos tipos de varillaje.

Figura 9. Tipos de varillaje.

Sistema de hinca piezocono: el mecanismo de hinca del piezocono en el terreno a travs delvarillaje es un sistema hidrulico montado encima de un vehculo que posee un sistema deanclajes al terreno, con el fin de dar una reaccin suficiente que permita la hinca dentro del


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terreno. En la figura 24 se puede observar el vehculo que cuenta con un sistema hidrulico.En la figura 25 se presenta el detalle del sistema de anclajes al terreno.

El equipo debe estar nivelado para la penetracin del piezocono, no se permite unadesviacin vertical muy alta ya que desviaciones grandes pueden resultar en una rotura delsistema de varillaje que dara como resultado una prdida del cono. Para esto elpenetrometro de cono cuenta con un sensor que indica de cunto es la inclinacin.

Figura 10. Vehculo de hinca piezocono.

Figura 11. Sistema de anclaje al terreno.


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Equipo de toma de datos: se encuentra en superficie, conectado a un computador o a unsistema de adquisicin de datos que mide, en tiempo real, los parmetros del ensayo: qc, fs,u. En la figura 26 se puede apreciar el sistema de adquisicin de datos del equipo.

Figura 12. Sistema de adquisicin de datos del piezocono.

3.4Procedimiento de ensayoLa norma que indica el correcto procedimiento de ensayo es la norma ASTM D577807.El ensayo fue realizado en el mes de septiembre de 2010, la compaa JEoprobe Ltda.facilit la logstica del lugar y el equipo con que se realiz el ensayo.

El nivel fretico se hallo al final del ensayo por medio de una sonda, la cual se inserto en laperforacin y se miro donde se hallaba este, el nivel fretico se hallo de esta manera a 7.8m,tambin se realizaron pruebas de disipacin para verificar estos resultados.

El primer paso que se realiz durante el ensayo fue anclar el vehculo al terreno para queeste pudiera dar la reaccin necesaria a la fuerza que se genera al hincar el cono. En laFigura 27 se puede observar cmo se ancla el vehculo al terreno.


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Figura 137. Anclaje del equipo.

Antes de empezar con la realizacin de la hinca es necesario preparar el cono, de tal maneraque se coloque grasa dentro del cono y la punta para que tome las medidas de la presin de

poros inducida de manera correcta, en la punta del cono se debe saturar con grasa para quela presin de poros realice un empuje en esta y de esta manera la grasa lleva la informacinal sensor encargado de medir la presin de poros inducida. En la Figura 28 se ve elprocedimiento de preparacin antes de la hinca del cono.


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Figura 14. Preparacin del cono para mediciones de presin de poros dentro del piezocono.

A continuacin, si se empieza con la hinca del piezocono a una velocidad de 2 cm/s comolo indica la norma, el sistema de adquisicin de datos toma en tiempo real las medidas deqc, fs, u. Durante el proceso de hinca constantemente se verifica que no ocurra inclinacinen la punta ni a lo largo del varillaje ya que se podra perder el cono donde se rompa acausa de la inclinacin, para esto el piezocono cuenta con un inclinometro. En la Figura 29se puede observar el proceso de hinca del piezocono.


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Figura 29 Hinca del piezocono.

Debido a la resistencia que presentaba en el suelo a una profundidad de 15.58 m, fuenecesario retirar el piezocono y encamisar la primera parte de la perforacin. Esto con el finde continuar el ensayo a mayor profundidad, sin tener la resistencia del suelo donde ya sehaba realizado el ensayo que presenta resistencia por friccin a lo largo de todo el varillaje.En la figura 30 se muestra el proceso de encamisado de la perforacin para continuar con elensayo.

Figura 30. Encamisado de la perforacin.


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A pesar de haber encamisado la perforacin, no se pudo continuar el ensayo a ms de 16.68m de profundidad debido a que la presin por punta que registraba el equipo era demasiadoalta y se corra el riesgo de ocasionar daos al mismo. Aproximadamente la presin era 40Mpa, lo que requera del equipo demasiada fuerza y produjo que se doblara la parte del

anclaje. En la Figura 31 se puede observar cmo se dobl parte del sistema de anclaje delequipo.

Figura 31. Parte del anclaje doblado.

3.5Interpretacin del ensayo de piezocono3.5.1 Clculos inicialesLa resistencia del cono, : la resistencia ltima medida a la penetracin. La resistencia a lapenetracin desarrollada en el cono es igual a la fuerza vertical aplicada al cono dividida

por el rea de la base del cono. En la ecuacin (1) se muestra cmo se calcula.

(1)En donde:

= la resistencia del cono (MPa, ton/ft2, kgf/cm2, o unidades de esfuerzo adecuadas).


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= fuerza aplicada sobre el cono (kN, ton, kgf).= rea de la base del cono, 10 cm2.La resistencia total del cono corregida, : para calcular la resistencia total del conocorregida, es necesario tener mediciones de presiones de poros inducidas por la penetracinmedida en la posicin ( figura 20), la cual se ubica inmediatamente despus de la puntadel cono. Esta correccin se hace debido a las presiones de poros que actan en los ladosopuestos de la punta y el anillo de unin entre sta y el resto del cono (Campanella,Robertson y Gillespie 1986). En la ecuacin (2) se muestra como se calcula.

(2)En donde:

= la resistencia total del cono corregida (MPa, ton/ft2

, kgf/cm

2

, o unidades de esfuerzoadecuadas).= presiones de poros generadas inmediatamente despus de la punta del cono (tsf,kgf/cm

2, o unidades de presin adecuadas).= cociente del rea neta. Constante segn la calibracin del equipo.0.68La resistencia por friccin corregida, : esta correccin se realiza tambin debido a laspresiones en la posicin .

En donde:= la resistencia por friccin corregida (MPa, ton/ft2, kgf/cm2, o unidades de esfuerzoadecuadas).= Constante segn la calibracin del equipo.0.0005Resistencia a la friccin en el fuste, : el componente de la resistencia por friccin en elfuste del cono es igual a la fuerza de corte aplicada en el fuste del cono dividido por el reade esa superficie. En la ecuacin (3) se puede observar cmo se calcula.

(3)

En donde:

= resistencia a la friccin en el fuste (kPa, ton/ft2, kgf/cm2, o unidades de esfuerzoadecuadas).= fuerza en el fuste de friccin (kN, ton, kgf, o unidades de fuerza adecuadas).= rea del fuste. Constante del equipo.


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Relacin de friccin, : la relacin de resistencia a la friccin del fuste, , dividido laresistencia del cono, , medido en el medio del fuste de friccin y la punta del conocuando estos se encuentran a la misma profundidad, expresado en porcentaje. En la

ecuacin (4) se muestra esta relacin.

(4)

En donde:

= Relacin de friccin, %= resistencia a la friccin en el fuste (kPa, ton/ft2, kgf/cm2, o unidades de esfuerzoadecuadas).= la resistencia del cono (MPa, ton/ft2, kgf/cm2, o unidades de esfuerzo adecuadas).Para la determinacin de la relacin de friccin se requiere la obtencin de una resistenciadel cono y una resistencia a la friccin en el fuste del mismo punto de la masa del suelo. Lapunta del cono se toma como referencia de profundidad. Una lectura anterior de laresistencia del cono en la punta en profundidad en el punto medio del fuste de friccin seutiliza para los clculos. Para el piezocono de 10 cm2, el desplazamiento estndar es de 100mm.

Presin de poros hidrosttica: el exceso de presin de poros slo se puede calcularconociendo la presin de poros de equilibrio. La presin de poros de equilibrio puede

medirse a travs de ensayos de disipacin o estimarla calculndola, como se indica en lasecuaciones (5) y 6).

(5)En suelos saturados por debajo del nivel fretico, este es el caso hidrosttico, se obtiene as:

(6)En donde:

= altura del agua, se evala de las condiciones del terreno (unidades de longitudadecuadas, metros, pies).= peso unitario del agua (9.8 kN/m3o 62.4 lbs/ft3).= profundidad de inters (unidades de longitud adecuadas, metros, pies).= profundidad hasta el nivel fretico.


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Los datos medidos en campo se deben normalizar respecto a los esfuerzos totales yefectivos. Esto debido a que algunas tablas de clasificacin utilizan las lecturasnormalizadas

Una vez se tengan los valores del piezocono ya explicados anteriormente en todo el perfildel suelo, se procede a normalizar estos valores con respecto a el esfuerzo total y alesfuerzo efectivo (Wroth 1988). Las ecuaciones (7), (8) y (9) muestran cmo se normalizanestos parmetros.

Resistencia del cono normalizada:

(7)

La relacin de friccin normalizada:

(8)

La relacin de presin de poros:

(9)

En donde:

= exceso de presin de poros .= esfuerzo vertical total. = esfuerzo vertical efectivo.= estimacin de la presin de poros de equilibrio.Los esfuerzos verticales de sobrecarga totales se calculan de la forma convencional segnla ecuacin 10:

(10)En donde:

= peso unitario del suelo por capa.= espesor de capa de suelo.


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41

3.5.2 Perfil estratigrfico del sueloUna de las aplicaciones del ensayo de CPTU es dar un tipo de suelo segn sucomportamiento y as obtener un perfil de todo el suelo. Esto basado en las mediciones que

realiza en terreno. Sin embargo no se puede esperar que el piezocono d prediccionesexactas del tipo de suelo sobre la base de caractersticas fsicas como distribucin detamaos de grano, pero s una gua para la caracterizacin mecnica (resistencia, rigidez)del suelo (Lunne, Robertson y Powell 1997). La caracterizacin del suelo mediante esteensayo se conoce como Soil Behaviour type(SBT).

El uso ms comn para el ensayo de CPT son los grficos de (Robertson, Campanella yGillespie 1986), esto es con Soil Behaviour type (SBT), que de forma grafica da unainterpretacin del tipo de suelo presente. Esta tabla utiliza los parmetros bsicos de la CPTla resistencia del cono qt, y la relacin de friccin, Rf. El cuadro es de carcter mundial y

puede proporcionar predicciones razonables del tipo de suelo el comportamiento de lossondeos CPT hasta cerca 20m de profundidad. En la figura 32 se puede apreciar estosgrficos.

Figura 32. Tablas de clasificacin de suelo no normalizadas utilizando el ensayo CPTu.Fuente: (Robertson, Campanella y Gillespie 1986)

Dado que la resistencia por punta y la resistencia a la friccin aumentan con la profundidady dependiendo del tipo de suelo, Robertson presenta una nueva tabla con correccin para


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42

este tipo de datos que consiste en una normalizacin de los datos (Robertson 1990). Aligual que la anterior, esta tabla proporciona slo una gua del tipo de suelo y cmo ste secomporta. En la figura 33 se pueden apreciar estas grficas.

Figura 15. Tablas de clasificacin de suelo utilizando el ensayo CPTu normalizadas.Fuente: (Robertson 1990)

Para simplificar la aplicacin de las tablas de clasificacin de suelo de la figura 33, losparmetros normalizados y pueden ser combinados en el ndice de comportamientodel tipo de suelo, , en donde es el radio concntrico que representa lmites entre lasdiferentes zonas de la tabla (Robertson 2009), este trmino puede definirse como:

(11)

= resistencia del cono normalizada. Ver ecuacin 7.= la relacin de friccin normalizada. Ver ecuacin 8.Los perfiles de dan una gua simple para la continua variacin del comportamiento segnel tipo de suelo presente en el terreno basado en los resultados del ensayo de piezocono.Este ndice no aplica para las zonas 1,8 y 9.


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3.5.3 Clculo de parmetros geotcnicos del suelo y correlaciones3.5.3.1Resistencia al corte no drenada

No es posible hallar un solo valor de la resistencia al corte no drenada, ya que sta dependede la direccin que se aplique la carga, de la anisotropa del suelo, de la velocidad deaplicacin de la carga y de la historia de esfuerzos del suelo (Mayne 2001). Por estasrazones, el valor adoptado de para realizar un anlisis depender del problema que sequiera resolver.

Como la anisotropa y la velocidad de deformacin del suelo influencian todo ensayo enterreno, su interpretacin necesariamente requerir de un factor emprico para contrarrestarestos efectos. Muchas teoras indican que la relacin entre la resistencia del cono y es dela forma:

(12)

Donde es una constante que normalmente vara entre 10 y 20, con 15 como promedio.tiende a aumentar con la plasticidad del suelo y a decrecer con la sensibilidad de ste.Para la seleccin del valor lo mejor es confiar en la experiencia que se tenga de ese tipode depsitos. En caso de que se tenga escasa experiencia es mejor hacer un anlisisconservador en donde se escogern valores cercanos al lmite superior de 20.

En arcillas demasiado blandas, donde puede haber dudas de la precisin de , lo mejor eshacer el anlisis de mediante el exceso de presin de poros () usando la siguienteecuacin:

(13)

En donde vara entre 4 y 10. Para anlisis conservadores al igual que en el anteriorcaso se recomienda tomar valores cercanos al lmite superior de 10.

Considerando la mecnica de suelos de estado crtico, la resistencia al corte no drenado sepuede expresar como (Wroth 1984):

(14)

En donde:


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= potencial plstico de deformacin volumtrica. Para arcillas de baja a mediasensibilidad, , mientras que arcillas estructuradas

3.5.3.2Historia de esfuerzosrelacin de sobre consolidacin RSC

La relacin de sobre consolidacin (RSC) es definida como la relacin del mximoesfuerzo efectivo de consolidacin y la sobrecarga de esfuerzos efectivos actual:

(15)

Para la sobre consolidacin mecnica de suelos, en los cuales el nico cambio ha sidoquitarles esfuerzo de sobrecarga la ecuacin 15, es apropiada (Chen y Mayne 1996). Sinembargo, en suelos cementados y/o envejecidos, la relacin de sobre consolidacin puede

presentar una relacin entre el esfuerzo de fluencia y el esfuerzo efectivo presente en laactualidad. El esfuerzo de fluencia depender de la direccin y del tipo de carga (Mayne,Robertson y Lunne 1998).

Para arcillas sobre consolidadas:

(16)Basado en esto (Robertson 2009) sugiri:

(17)En donde:=Resistencia del cono normalizadaAntes de esto ya se haba sugerido un mtodo ms simple por (Kulhawy y Mayne 1990):

(18)O (19)

El valor k vara entre 0.2 y 0.5, valores altos de k se recomiendan para arcillas envejecidaslas cuales fueron altamente sobre consolidadas. Si se tiene experiencia en el depsito que seest analizando, se puede usar para ajustar el valor de k y tener una RSC ms confiable. Elmtodo de (Kulhawy y Mayne 1990) es vlido para valores de .

3.5.3.3ngulo de friccin


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45

Robertson y Campanella sugirieron una correlacin para estimar el ngulo de friccinmximo del suelo para arenas a base de cuarzo, no cementadas, moderadamentecompresibles y sin envejecer (Robertson y Campanella 1983). Esto con base en

calibraciones con resultados de ensayos en cmara triaxial y lo observado en terreno, esdecir correlaciones empricas.

(20)

(Kulhawy y Mayne 1990) Sugirieron una relacin alternativa para arenas redondeadas,limpias a base de cuarzo, esta se ve en la ecuacin (21).

(21)Para suelos granulares finos la mejor manera de definir el ngulo de friccin internoefectivo es por medio de ensayos triaxiales de consolidacin. Asumir un ngulo de 28 paraarcillas y de 32 para limos es suficiente en pequeos proyectos. Por otra parte, otrostericos propusieron una solucin por el lmite de esfuerzo, efectivo por plasticidad paraensayos de penetracin de cono para suelos no drenados (Senneset, Snadven y Janbu 1989).Esto permite una evaluacin aproximada de los parmetros de esfuerzo efectivo ( y )utilizando las mediciones del ensayo de piezocono. En una aproximacin para arcillas ylimos desde normalmente consolidados a ligeramente sobreconsolidados ( ), estasolucin puede ser utilizada cuando los parmetros estn en los siguientes rangos;

20


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46

En donde (24)

Otra de las maneras de calcular la velocidad de ondas de corte es por medio de la ecuacin

(25) propuesta por (Mayne 2006)

(25)

3.5.3.5Correlacin ensayo SPT y CPTuExiste una necesidad para tener correlaciones confiables de ensayos de SPT con ensayos deCPTu, esto con el fin de que los ensayos de piezocono puedan servir tambin en los diseosa base de resultados SPT que han desarrollado a travs de la experiencia y son muy usadostodava. Se han realizado muchos estudios a travs de los aos para poder hacer lascorrelaciones entre estos dos ensayos. (Robertson y Campanella 1983) Revis estascorrelaciones y present una nueva relacin entre y el tamao de grano .En la figura 34 se puede apreciar esta relacin.

Figura 34 Correlaciones SPT-CPT a travs del tamao de grano.Fuente: (Robertson y Campanella, Interpretation of cone penetration tests 1983)


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47

Esta correlacin requiere informacin acerca del tamao de grano en los distintos estratosde suelo. El tamao de grano puede determinarse directamente utilizando los resultados delpiezocono utilizando las tablas de clasificacin del suelo por su comportamiento SBT. Enestas tablas se puede observar una tendencia a aumentar la relacin de friccin al

incrementarse el contenido de finos y disminuir el tamao de grano. Basado en esto(Robertson, Campanella y Gillespie 1986) sugiri una relacin de para cadatipo de suelo usando la tabla SBT no normalizado. En la tabla 3 se puede observar estarelacin.

Tabla 3. Relaciones de ZONE SOIL BEHAVOIUR TYPE

1 Sensitive fine grained 2.02 Organic soils-clay 1.03 Clays: clay to silty clay 1.54 Silt mixtures: clayey silt & silty clay 2.05 Sand mixtures: silty sand to sandy silty 3.06 Sands: clean sands to silty sands 5.07 Dense sand to gravelly sand 6.0

8 Very stiff sand to clayey sand 5.09 Very stiff fine-grained 1.0

Fuente: (Robertson, Campanella y Gillespie 1986)

Una de las desventajas de esta aproximacin es que la conversin puede llegar a serdiscontinua. Los datos de piezocono pueden as predecir cambios discontinuos en laprediccin de valores de SPT .

Existen otras aproximaciones para relacionar estos dos ensayos. (Jefferies y Davies 1993)Sugieren la aplicacin del ndice de comportamiento del tipo de suelo, , para hacer lacorrelacin entre SPT y el piezocono (ecuacin (26). Esta aproximacin segn los autorespuede estimar mejor el valor que un ensayo de SPT, debido a la poca repetitividad eneste tipo de ensayos y a los errores que se puede llegar a cometer cuando se realiza. Estaecuacin slo es vlida para .

(26)

3.5.3.6Ensayo disipacin de presin de porosEl ensayo de disipacin de presin de poros consiste en hacer que el exceso de presin deporos inducida por la penetracin () se disipe con el tiempo. En arenas limpias sedisipara inmediatamente, mientras que en materiales ms finos como arcillas se requerirde ms tiempo para que se disipe la presin de poros inducida por la penetracin hasta unpunto () que es la presin hidrosttica.


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48

La presin de poros registrada entonces ser:

(27)

En donde:

= Presin de poros registrada= Presin de poros hidrosttica= Exceso de presin de poros inducida por la penetracinCuando se detiene la penetracin se puede medir el tiempo en que se reduce la presin deporos inducida por la penetracin, como en arcillas el tiempo para que esto suceda puedellegar a ser muy largo se utiliza para los clculos de coeficiente de consolidacin yconductividad hidrulica, el tiempo en el que la presin de poros inducida se reduce al50%.


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49

4 RESULTADOS

Para el anlisis de resultados se utiliz el software CPeT-IT v.1.6.5.31, desarrollado porGeologismiki geotechnical softwarecon la ayuda de Gregg Drilling and Testing Inc. y delprofesor Peter Robertson. Este software ayud en la realizacin de algunas de las graficas yresultados. Adicionalmente se utilizaron las ecuaciones descritas en la seccin 3 delpresente trabajo para confirmar los resultados y corregirlos o recalcularlos segn fueranecesario.

Adicionalmente se utiliza el programa PClass CPT desarrollado por Lousiana StateUniversity versin 3.0, esto con el fin de hallar por medio de probabilidad el porcentaje de

arena, arcilla y limo del material (Zhang y Tumay 1999), este programa recibe como datosde entrada solamente la resistencia por punta y por friccin.

En la figura 35 se puede apreciar los resultados del ensayo de piezocono desde unaprofundidad de cero hasta 16.68 metros ya graficados1.

1Las tablas de resultados debido a su extensin no se presentaran en este trabajo, se entregaran por medio deanexos digitales.


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50

Figura 16. Resultados del ensayo de piezocono, resistencia por punta, resistencia a la friccin y presin deporos inducida por la penetracin.

4.1Clasificacin del tipo de suelo4.1.1 Anlisis no normalizados

Teniendo los resultados del ensayo de piezocono, se procede a utilizar los grficos de lafigura 32 para hacer la clasificacin del suelo a travs del SBT sin normalizar los datos. Enla figura 36 se puede observar cmo fue la distribucin de los diferentes puntos. En la


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51

figura 37 se muestra grficamente cul fue la clasificacin de los distintos estratos de sueloen profundidad segn estos grficos.

Con los datos que se tienen y con SBT ya hallados se procede a calcular el ndice de

comportamiento del tipo de suelo, , de la ecuacin (11) para un anlisis no normalizado.Los resultados se muestran de manera grafica en la figura 38.

Figura 3617. SBT no normalizado.


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Figura 18. SBT no normalizado. Figura 19. ndice de comportamiento en

profundidad del tipo de suelo,

4.1.2 Anlisis normalizadoTeniendo los resultados del ensayo de piezocono se procede a utilizar los grficos de lafigura 33 para hacer la clasificacin del suelo a travs del SBT con los datos normalizados.En la figura 39 se puede observar los datos del ensayo de piezocono normalizados a travsde las ecuaciones (7), (8) y (9). En la figura 40 se muestra cmo fue la distribucin de los


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diferentes puntos. En la figura 41 se pueden ver grficamente cul fue la clasificacin delos distintos estratos de suelo en profundidad segn estos grficos.

Con los datos que se tienen y con SBT normalizados ya hallados se procede a calcular el

ndice de comportamiento del tipo de suelo, , de la ecuacin (11). Los resultados semuestran de manera grfica en la figura 42.

Figura 39 Resultados del ensayo de piezocono normalizados, resistencia por punta normalizada, resistenciaa la friccin normalizada y presin de poros inducida por la penetracin normalizada.


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Figura 40. SBT con los datos normalizados.


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Figura 41 SBT normalizado. Figura 42. ndice de comportamiento en

profundidad del tipo de suelo, , normalizado

4.2Resistencia al corte no drenada Por medio de las ecuaciones en la seccin 3.5.3.1 se calcula la resistencia no drenada ensuelos que en las tablas de SBT clasificaron como arcillas. En la figura 43 se puede apreciarestos resultados de manera grfica. Los resultados estn en kiloPascales. Se realizan losclculos a partir de dos mtodos, para el mtodo de (Wroth 1984) se utiliza la RSC halladacon la ecuacin de (Robertson 2009).


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56

Figura 20. Resistencia al corte no drenado.

4.3Angulo de friccinPor medio de las ecuaciones en la seccin 3.5.3.3 se calcula el ngulo de friccin. En lafigura 41 se puede apreciar estos resultados de manera grafica.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 100 200 300

Profundidad

Cu

Cu Wroth 1984 Cu Mayne


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57

Figura 21. Angulo de friccin.

4.4Historia de esfuerzos relacin de sobreconsolidacion rscLa relacin de sobre consolidacin se calcula de dos maneras segn las ecuaciones en laseccin 3.5.3.2: o por la ecuacin propuesta por (P. Robertson 2009) y por la propuesta por

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 20 40 60

Profundidad


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58

(Kulhawy y Mayne 1990). En la figura 45 se pueden apreciar los resultados de maneragrafica.

Figura 22. Relacin de sobreconsolidacin.

4.5Velocidad de onda de corte

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10

Profundidad

RSC

RSC Kullhawy y Mayne 1990

RSC Robertson 2009


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59

La velocidad de onda de corte se calcula con las ecuaciones de la seccin 3.5.3.4. Demanera grafica se pueden observar estos resultados en la figura 46.

Figura 23. Velocidad de onda de corte.

4.6Correlacin ensayo SPT y CPTuSe realiza las correlaciones para hallar el valor de del ensayo SPT a travs de losresultados del ensayo de piezocono. stos pueden verse de forma grafica en la figura 47.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 200 400

Profundidad

Vs


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60

Figura 24. Valor de N60hallado a travs del ensayo de piezocono.

Los resultados de la figura anterior correspondientes al valor calculado a partir delensayo de piezocono; se comparan con los resultados del ensayo SPT realizado por(Restrepo 2010). En la figura 48 se puede ver en forma grfica esta comparacin. Los

puntos grises oscuros representan los valores del ensayo SPT y los puntos grises claros quese ven continuos representan los calculados a travs del ensayo de piezocono.


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61

Figura 25. Comparacin N60calculado del ensayo de CPTu y del SPT.

4.7Porcentaje de cada tipo de material a lo largo del estrato

En la figura 49 se puede apreciar los resultados del programa PClass CPT en donde se vecomo es la distribucin probabilstica de arena, arcilla y limo a lo largo de todo el perfil.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 10 20 30

Profundidad

Comparacion N60

N60 (Restrepo 2010) N60 calculado


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62

Figura 49.Porcentaje de tipo de material PClass-CPT


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5 ANLISIS DE RESULTADOS

5.1Perfil estratigrfico del sueloComo se pudo apreciar en la seccin anterior, la clasificacin de todo el perfil del suelo serealiza por medio de los grficos de Robertson, tanto de los datos normales como los datosnormalizados, para la correccin a causa de los esfuerzos efectivos que se presentan con laprofundidad. Esta es una clasificacin segn el tipo de comportamiento mecnico quepresenta el suelo.

En la clasificacin de los datos sin normalizar, se puede ver cmo los primeros estratos seclasifican como arcillas, con intercalacin de arcillas limosas y aproximadamente a los 6m

de profundidad, se presenta una capa delgada del material que, aparentemente por sucomportamiento, se trata de arena. A profundidades mayores se presenta una tendencia deaparecer materiales de comportamiento de arcilla y arcillas limosas. A los 12maproximadamente, se encuentran materiales que, debido al aumento de la resistencia, seasumen como arenas limosas, dando pie a una intercalacin de materiales arcillososlimosos, con arenas hasta la profundidad final del ensayo. En sta, slo se encuentranarenas de mucha dureza, las cuales, como ya se haba mencionado, no permitieron que elensayo continuara a ms de 16.68m.

La clasificacin de los datos normalizados da como perfil estratigrfico, al principio, suelos

que se comportan como arenas en los primeros 2 metros. En adelante, se empieza a predecirque los suelos son arcillas limosas hasta que, al igual que la clasificacin sin normalizar, semuestra un estrato de arena casi a los 6 metros de profundidad. A continuacin, elcomportamiento es de suelo tipo arcilla, hasta a la profundidad final del ensayo, en el cualse presenta el comportamiento del suelo tipo arena muy dura que impide se puedacontinuar.

Esta normalizacin de los datos se realiza debido al efecto de los esfuerzos efectivospresentes en el suelo a profundidad. Como ya se explic, los datos no normalizadospredicen correctamente el comportamiento del suelo siempre y cuando no estnsobreconsolidados, y a profundidades menores de 20 metros. Para los dems, los datosnormalizados dan mejores resultado. Este efecto de la normalizacin de datos se puedeapreciar mejor si se compara el ndice de comportamiento del suelo. Al comparar lasgrficas normalizadas y no normalizadas del ndice de comportamiento del suelo, se puedeobservar cmo las dos tienen un punto en comn, a saber, el estrato de arena a casi 6 metrosde profundidad. La normalizacin lo que hizo a los datos fue aumentar su en los datos


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que se encuentran hacia la superficie y disminuir el a los datos a mayor profundidad.Esto se evidencia en las tablas de clasificacin de Robertson (segn las zonas laclasificacin va de 1 a 8) que muestra que al darles mayor numero a los datos que seencuentran hacia la superficie, y darle menos numero a los que se encuentran hacia la

profundidad, cambia el comportamiento en los primeros metros que era de arcillas y limosque no presentan mucha resistencia (segn datos sin normalizar) a comportamiento, comosi fuera de arena con mucha ms resistencia. En los datos a profundidad se ve cmo en losdatos normalizados se baj en la clasificacin muchos datos de arenas limosas y arcillaslimosas a una clasificacin de arcillas.

Retomando las premisas desarrolladas en la teora, se puede ver en estos cambios el por qula normalizacin no sirve para los datos en superficie. El esfuerzo efectivo no la afectasignificativamente y los datos no normalizados predicen mejor el comportamiento. Lanormalizacin de datos empieza a ser efectiva en cuanto se cambia la tendencia de hacerque el disminuya. Para este caso en particular a profundidades despus del estrato dearena que se encuentra casi a 6 metros de profundidad.

Al comparar estos resultados, con los resultados que se obtuvieron anteriormente en el sitio(Restrepo 2010), en donde s se extrajeron muestras para su clasificacin, se ve cmo en laprimera parte el CPTU no predice la primera capa de limos orgnicos, predice ms bien uncomportamiento tipo arcilla segn los datos no normalizados. Despus de ese estrato se vecmo siguen capas de arcillas con trazas de limo y poca arena. El CPTU muestracomportamiento de tipo arcilla y arcillo limosos lo cual est de acuerdo a las muestras

extradas. A profundidad, las muestras indicaron que eran arcillas con trazas de arena quetambin corresponden de buena manera a lo presentado en el ensayo de piezocono queindica que es un comportamiento arcillas limosas y limos arenosos.

Las diferencias ms grandes se encuentran en que el piezocono hall un estrato de arena aaproximadamente 6 metros de profundidad, y al decir que el estrato de arena final donde nose pudo continuar el ensayo, estaba 1 metro ms hacia la superficie de lo que se vio cuandose extrajeron muestras. Como se indica el ensayo de piezocono este no da una clasificacinni visual ni por granulometra como la tenan anteriormente, sino que ofrece unaclasificacin continua de todo el perfil de suelo segn el comportamiento mecnico que

present. As que a pesar de que no describe exactamente el material, s da una mejor ideade cmo es el comportamiento del material en sitio, por ser un mtodo continuo es exactode donde estn cada uno de los materiales en sus diferentes capas y en detectar la mnimavariacin en el comportamiento de los materiales.


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5.2Resistencia al corte no drenadoLa resistencia al corte no drenado fue calculada mediante dos mtodos. En uno se utilizaba

el valor de la resistencia por punta, el esfuerzo y un valor Nkt variable ( para los clculos setomo un valor constante, promedio de 15). En el otro mtodo se utilizaba la relacin desobreconsolidacion y el ngulo de friccin interna hallado; las zonas en donde no semuestra un valor de Cu calculado son aquellas donde no se pudo calcular el ngulo defriccin o la relacin de sobreconsolidacion debido a las caractersticas de los materiales.Los dos mtodos en general dan unas aproximaciones muy similares en la mayora de laszonas a pesar de ser dos mtodos de clculo distintos, se ve as que los dos convergen hacialos mismos valores. La resistencia al corte no drenada muestra los rangos donde se mueveestn en todo su perfil, y aunque en algunos sitios muestren picos que aumentan el valor, sepuede ver que es un valor aceptable dentro del rango de lo que se esperara tener para este

tipo de materiales.

5.3ngulo de friccin interna del sueloEl ngulo de friccin interna calculado como lo indica la teora (Robertson y Cabal 2010)no es una de las mejores aproximaciones que se puede hacer a partir del ensayo de CPTU.El ngulo a lo largo de toda la profundidad es muy variable, al principio comienza siendomuy alto, y baja siguiendo una misma tendencia en suelos del mismo tipo. En la primeraparte se calculan valores muy altos, puesto que el ngulo de friccin calculado es elmovilizado y se mide la pendiente en la primera parte donde la pendiente es alta. En las

zonas donde el comportamiento es de arcilla se presentan valores bajos en algunos puntosdonde tambin puede haber un clculo conservador para hallar estos resultados. Sinembargo, a lo largo de todo el perfil se ve un comportamiento que en la mayora vara entre20 y 35 lo cual est de acuerdo con los valores esperados para este tipo de suelos.

5.4 Historia de esfuerzos relacin de sobreconsolidacion rscLa relacin de sobreconsolidacion se calcula de dos formas. La primera propuesta por(Kulhawy y Mayne 1990) utiliza el valor calculado y lo multiplica por un valor k que esvariable entre 0.2 y 0.5 segn la experiencia de la persona que realice el ensayo y haga el

anlisis. El segundo mtodo es el de (P. Robertson 2009) que utiliza este mismo valor ylo eleva por un valor de 1.25 y despus lo multiplica por un valor de 0.25. Dado que los dosmtodos utilizan el valor , se puede apreciar que es similar la forma de las graficas dondese ven los resultados; la diferencia radica en que un mtodo da valores ms altos que elotro, sin embargo sta no es Significativa y al variar el valor de k se puede prcticamenteconverger los resultados al mismo punto segn se quiera, el rango donde se encuentran los


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valores es el rango esperado para este tipo de suelos. Las zonas en donde no se tienenvalores calculados se deben a las zonas donde los valores de muy altos no lo permitenas como valores de los cuales no estn dentro del rango que permite realizar clculosacertados.

5.5Velocidad de onda de corteLa velocidad de onda de corte, calculada por medio de los datos del ensayo de piezoconomuestra un perfil que vara entre 100 y 300 m/s en toda su profundidad, posee algunospicos que se deben a que se calcula en todos los puntos donde se tienen por materialvariable en los porcentajes de arena, limo y arcilla. En los puntos donde el valor se obtienedicho resultado porque el comportamiento es predominante de arcillas y en los puntos altosse registran porcentajes altos dada la arena. Este clculo muestra la similitud de los valoreshallados por medio de lnea ReMI y con el ensayo de down hole, si se tiene en cuenta que

los datos de este ltimo ensayo se hicieron con una tubera que no se adhiri bien al suelo acausa de la lechada. Sin embargo, se puede decir que las velocidades de onda de cortecalculada con el ensayo de piezocono son muy buenos y dan una aproximacin real a cmose est comportando el terreno a lo largo de todo el perfil, es decir es lgico los resultadosque se tienen con el ensayo de piezocono para ese tipo de materiales, y esto se ve reflejadotanto en los resultados previos de Down Hole como los resultados de velocidad de onda conlnea ReMI.

5.6Correlacin de ensayo de SPT y CPTu (valor n60)Para los clculos del valor de N60, por medio de los resultados del ensayo de CPTU, seutiliza la ecuacin de (Jefferies y Davies 1993) que muestra los resultados ms adecuadosen este sitio. Los valores calculados comparados con los valores hallados por medio delSPT dan valores muy similares, con excepcin de una zona, donde el CPTU indica que setrata de un estrato de arena e indica valores de N60altos; la clasificacin del perfil de sueloque se tena anteriormente no encuentra este estrato de arena a aproximadamente a los 6metros de profundidad, lo que encuentra el SPT es un pico en el valor de N60 1 metro haciala superficie. A excepcin de este valor, los dems se encuentran en un rango muy similar,lo que indica un mismo comportamiento y que el valor calculado de N60 a travs del CPTU

es correcto, mas se debe tener en cuenta que el ensayo de SPT posee poca repetitividad yque cada vez que se haga va ha haber ligeras variaciones. Como los valores calculados conlas ecuaciones planteadas es muy acertado, no se propone una nueva correlacin ya que elvalor donde se difiere, que es el estrato de arena, no se hall anteriormente y sera un errordecir que ese estrato posee un valor de N60 como de una arcilla (es decir ms bajo) si ya sevio que se trata de otro tipo de material. As mismo subir el valor de N60 un metro antes


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para lo que se hall que fue una arcilla tuviera un valor similar al de SPT tambin sera unerror. Otra de las razones por las cuales se dan esas pequeas variaciones en el valor deN60 es que los dos ensayos no se realizan en el mismo punto, se realizan a 2.5 metros dedistancia uno del otro, y en ese espacio puede haber esas pequeas variaciones en el terreno

e incluso la variacin de 1 metro del pico que da el valor N60 a aproximadamente 6 metrosde profundidad.

5.7Ensayos de laboratorio y porcentajes de material dentro del estratoEl porcentaje de cada uno de los materiales hallado por medio del programa PClass-CPTmuestra una distribucin la cual es similar a la hallada por medio de los grficos deRobertson, esto teniendo en cuenta que el programa da una distribucin probabilstica decada tipo de material a lo largo del estrato y los grficos un tipo de suelo sin dar unporcentaje de cada uno. En la distribucin probabilstica se ve que cuando se predeca pormedio de los grficos de Robertson un comportamiento de suelo ya sea arenoso o arcillosoes debido a que en ese punto la distribucin predominante es del material al que se referanlos grficos, estos porcentajes se comparan con la distribucin de % de finos hallado pormedio de ensayos de laboratorio (Restrepo 2010) y se ve como el piezocono predice unadistribucin muy aproximada a los resultados exactos que se hallan al sacar muestras yllevarlas al laboratorio. El perfil estratigrfico de suelo que se halla por medio de losgrficos de Robertson en el SBT, distribucin probabilstica y en general los resultados delensayo de piezocono, da valores esperados y muchos ms puntos dentro del perfil que estnde acuerdo con la clasificacin ya realizada por medio de ensayos de laboratorio, ya seanlos limites de Attenberg, humedades y una clara similitud con la distribucin del porcentajede finos.


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6 CONCLUSIONES A travs del ensayo de piezocono es posible determinar la clasificacin del perfil

estratigrfico del suelo segn sus caractersticas mecnicas de comportamiento en elsitio, resistencia y rigidez, as como por las presiones de poros inducidas por lapenetracin. Este perfil estratigrfico al compararlo con un perfil hallado por mediode extraccin de muestras y ensayos de laboratorio que es lo comn paraclasificacin de suelos, demostr que es una aproximacin bastante acertada, enalgunos puntos incluso mejor, ya que una de las ventajas que se presenta con esteensayo es la posibilidad de tomar mediciones continuas a lo largo de todo el perfilque reflejan el comportamiento del terreno en sitio y no alterado.

Por medio de este ensayo es posible calcular distintos parmetros del suelo como larelacin de sobreconsolidacion, la resistencia al corte no drenada, el ngulo defriccin, velocidad de onda de corte y otros. Estos parmetros permiten un mejorentendimiento del comportamiento del suelo y son la base para los proyectos deingeniera que se quieran realizar. Estos valores calculados son bastante acertados,tienen una buena base terica que permite una buena confiabilidad como se pudoconfirmar en el presente trabajo.

Este ensayo se puede usar por medio de correlaciones para relacionarlo con otrosensayos in situ ms comunes, los cuales a travs del tiempo y la experiencia han

dado a muchos ingenieros la confiabilidad para usarlos ms frecuentemente. Serevisaron correlaciones para hallar el N60 del ensayo SPT y la velocidad de onda decorte hallada por medio de un ensayo de Down-Hole, los valores calculados comose esperaba fueron muy similares y demuestran que por medio de estascorrelaciones s es posible calcular valores de otros ensayos con los resultados delensayo de piezocono. Incluso los valores calculados a travs del ensayo depiezocono tienen la ventaja de ser continuos a travs de todo el perfil y de ser msconfiables, ya que los resultados no pueden ser alterados por errores humanos deloperador.

Se debe tener en cuenta las limitaciones que tiene este ensayo para su uso eningeniera, en el presente trabajo por ejemplo se pudo apreciar cmo en suelos muyduros no se puede realizar, como fue el caso de arenas muy densas, en suelos muyduros o suelos con presencia de rocas este ensayo tampoco se puede realizar.Tambin se debe tener en cuenta que este ensayo no toma muestra de material, da esuna clasificacin por medio del comportamiento mecnico que presente el suelo,


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por esto siempre es recomendable acompaar este ensayo de otros mtodos quepermitan extraccin de algunas muestras las cuales comprueben que no se estnpresentando errores en la realizacin del ensayo.

Retomando lo ya mencionado, las zonas de experimentacin geotcnica son de granvalor para el estudio de los suelos, este proyecto da una nueva contribucin para elsitio ya que es un paso ms, hacer un ensayo de piezocono en el mismo sitio dondeya se ha estudiado el comportamiento por medio de otros mtodos y ensayos tantoin situ como en laboratorio, adems es muy til poder comparar los resultados de unensayo de stos. Este tipo de ensayos es muy usado en el mundo pero no a nivellocal como se realiz en esta oportunidad.


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CARACTERIZACIÓN DE UN SITIO MEDIANTE CPTU

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