Paper title

Sociedad Mexicana de

Ingeniera Geotcnica, A.C.XXVII Reunin Nacional de Mecnica de Suelos e Ingeniera Geotcnica

Noviembre, 2014 Pto. Vallarta, Jalisco

4Los ensayos in situ de penetracin dinmica continua y su utilizacin en Mxico

Martinez Angel A. et al.5

Los ensayos in situ de penetracin dinmica continua y su utilizacin en MxicoThe dynamic probing tests and their use in Mexicongel A. Martnez Girn1; Daniel Martn Snchez2; Daniel Orbezo Parrao3; Miguel ngel Fernandez Vlez4

1Gelogo consultor, Vorsevi S.A. e-mail: angelmartinez@vorsevi.es2Gelogo. Director Tcnico Vorsevi Mxico S.A de C.V. e-mail: danielmartin@vorsevi.mx3Ingeniero Civil Geotecnista, Vorsevi Mxico S.A. e-mail: danielorbezo@vorsevi.mx4Gelogo.Director de Departamento de Geotecnia, Vorsevi S.A., e-mail: miguelfernandez@vorsevi.esRESUMEN: Los ensayos in situ de penetracin dinmica continua consisten en la hinca de una punta de acero acoplada a un tren de varillas mediante la energa que proporciona una masa determinada que se hace caer desde una altura fija.

A pesar de su simplicidad, tienen una divulgacin muy limitada en la Repblica Mexicana, y no se generaliza su utilizacin sistemtica y rutinaria en campaas de investigacin geotcnica.Sin embargo, un conocimiento exhaustivo de sus virtudes y de sus aplicaciones ms apropiadas en determinado tipo de suelos y rocas meteorizadas, nos permite sacar una valiosa y rpida informacin sobre la consistencia y/o compacidad del subsuelo, con costes inferiores al de otros ensayos in situ.En el presente artculo, en base a la experiencia acumulada por Vorsevi Mxico estudiamos las caractersticas de los ensayos de penetracin dinmica continua, los tipos ms comunes existentes, sus aplicaciones usuales y su comparacin frente al ensayo ms popular SPT. Tambin se pondrn de manifiesto las limitaciones que hay que tener en cuenta a la hora de la interpretacin de este tipo de ensayos.

Finalmente, se recogen dos casos prcticos de aplicacin real en varios emplazamientos repartidos por la Repblica Mexicana. ABSTRACT: The continuous dynamic penetration tests involve the driving of a steel tip attached to a rod train energy provided by a given mass is dropped from a fixed height.

Despite their simplicity, have a very limited release in the Mexican Republic, and its systematic and routine use is not widespread on surveys of geotechnical investigation.However, a comprehensive understanding of their benefits and their applications more appropriate in certain types of soil and weathered rock, allows us to make a valuable and accurate information about the consistency and/or relative density of the subsoil, with lower costs than other tests "in situ ".

In this paper , based on the experience of Mexico Vorsevi, studied the characteristics of continuous dynamic penetration tests ,the most common classes , their usual applications and compared against the most popular test SPT . It also will highlight the limitations that must be taken into account when interpreting such tests.Finally, several case studies of real application are collected at various sites scattered Mexico.1 Introduccin

Los ensayos de penetracin dinmica son considerados los ms antiguos de los ensayos in situ y su origen se justifica por la evaluacin de la consistencia o compacidad de los suelos in situ, recurrindose en sus inicios a mtodos sencillos como hincado de barras, rales o perfiles metlicos que con el paso del tiempo se van perfeccionando hasta convertirse en dispositivos livianos con la aportacin de un cabrestante ligero, de una maza, de un yunque y de varillas adecuadas.Es un ensayo que se asemeja al conocido de penetracin estndar (SPT), pero a diferencia de ste, es continuo y no recupera muestra, se va hincando en el terreno una punta adecuada acoplada a un varillaje, con la ayuda de una maza que cae en cada libre desde una altura determinada. El proceso de hinca es continuo y no requiere de entubacin o revestimiento, finalizndose el ensayo cuando se alcanza un determinado nmero de golpes por longitud hincada. Por esta razn, su realizacin es relativamente rpida, pues requiere muy poco tiempo de preparacin para posicionamiento y comienzo del ensayo, as como para la duracin del propio ensayo, dependiente de la profundidad de rechazo.Los resultados de los ensayos se representan grficamente en diagramas de tipo (X,Y) que proporcionan en funcin de la profundidad alcanzada el nmero de golpes correspondiente a una penetracin dada, normalmente en intervalos de 10 20 cm.Si se conocen adecuadamente las ventajas y posibles limitaciones en su ejecucin e interpretacin, disponemos de un ensayo muy interesante en el que priman ms los aspectos cualitativos sobre los cuantitativos en la informacin suministrada dependiendo del tipo de suelo.Los ensayos de penetracin tienen su inicio a principios del siglo XX, con varios dispositivos iniciales. En 1922 la Compaa Charles R. Gow pas a ser un departamento de la Raymond Concrete Pile, poniendo a punto Linton Hart y Gordon A. Fletcher un tomamuestras de 2 de dimetro abierto que fue conocido ms tarde como Standard Penetration Test (SPT) al normalizarlo K. Terzaghi y R. Peck.

En Suecia se han venido utilizando los ensayos de penetracin dinmica en la misma poca de aparicin del SPT. Sobre 1940, la firma sueca Borros disea y desarrolla el mtodo Ram Sounding, que equivale al conocido penetrmetro dinmico Borros, comnmente utilizado para estimar la longitud de pilotes hincados trabajando por punta. Despus de 1945 su uso se hace extensivo a toda Europa conviviendo con el ensayo de penetracin esttica CPT, y con los ensayos SPT ms generalizados.En pases con predominio de suelos de consistencia media y baja el uso del penetrmetro esttico CPT es ms comn que el de penetracin dinmica, como por ejemplo Holanda o Suecia, mientras que en zonas o pases donde predominan los suelos de mayor consistencia y/o compacidad suele predominar la penetracin dinmica sobre la esttica.

El ensayo de penetracin dinmica suele tener mayor versatilidad en su aplicacin sobre diferentes tipos de suelos o rocas meteorizadas sobre el de penetracin esttica, si bien su interpretacin es ms limitativa.2 Descripcin del ensayo. Normativa. MaquinariaLos ensayos de penetracin dinmica continua determinan la resistencia de los suelos y de las rocas blandas a la penetracin de una puntaza hincada a golpeo, mediante una maza de masa y altura de cada conocidas. Actualmente estn sujetos a normativa de estandarizacin de acuerdo con la ISO 22476-2:2005.En un dispositivo caracterstico del ensayo, se pueden diferenciar los siguientes trminos:

Cabeza de impacto o yunque.

Parte del dispositivo de hinca sobre la que golpea la maza y a travs de la cual pasa la energa a las barras de hinca.

Colchn; amortiguador:

Se coloca sobre la cabeza de impacto para minimizar el dao al equipo.

Maza:

Parte del dispositivo de hinca que se levanta y se deja caer sucesivamente para proporcionar la energa que consiga la penetracin de la puntaza cnica.

Altura de cada:

Altura de cada libre de la maza despus de ser soltada.

Dispositivo de hinca.

Conjunto formado por la maza, la guiadera, la cabeza de impacto y el sistema de elevacin y escape.

Barras o varillaje de hinca.

Barras que conectan el dispositivo de hinca con la puntaza cnica. Puntaza cnica. Puntaza de dimensiones normalizadas que se utiliza para medir la resistencia a la penetracin.

Fig. 1. Penetrmetro dinmico tpico ndice Nxy: Es el nmero de golpes requerido por el penetrmetro tipo y para hincar la puntaza cnica una longitud definida x expresada en cm. Por ej, NDPSH-B 20.

Existen en la actualidad varios tipos de ensayos de penetracin dinmica, que son funcin de la masa de la maza y de la altura de cada.

Los penetrmetros ms livianos son los DPL (ligeros), tienen una masa de 10 kg y una altura de cada de 50 cm, aplicndose al rango de suelos ms blandos, especialmente recomendable para terrenos con NSPT 10, donde son muy finos diferenciando suelos de naturaleza diversa blanda. Poco poder de penetracin en suelos de mayor consistencia. Aplicables tambin a control de compactaciones.A continuacin se sitan los ensayos de penetracin DPM (medianos) con masa de 30 kg y altura de cada de 50 cm. Podramos extender su rango ms aprovechable a suelos con NSPT 20, estando ms limitados en terrenos duros. Se aplican tambin a evaluacin de control de calidad en terraceras y firmesLos ensayos DPH (pesados) poseen una maza de 50 kg y una altura de cada de 50 cm, y al aumentar su rango a terrenos de consistencia firme-dura pierden sensibilidad con los suelos ms blandos.

Por ltimo, los ensayos DPSH (super pesados) se dividen en los A con masa de 63.5 kg y altura de cada de 50 cm (muy similar a los antiguos Borros suecos) y los B, con masa de 63.5 kg y altura de cada de 75 cm, prcticamente equivalente al SPT. Su campo de accin es el ms amplio y polivalente, al penetrar en los suelos de consistencia dura a muy dura y en los de compacidad densa a muy densa, incluso con pequeos niveles rocosos cementados centimtricos. Su principal hndicap, radica en la poca sensibilidad sobre los suelos blandos, al no diferenciar con suficiente precisin diferentes niveles en su seno. En la Tabla 1 se resumen los diferentes ensayos de penetracin dinmica ms habituales, y se exponen sus caractersticas distintivas.Precauciones especiales en la ejecucin del ensayo.Como buenas prcticas, ha de tenerse en cuenta:

La maza debe guiarse convenientemente para que el rozamiento sea mnimo. El mecanismo de cada de la maza debe ser automtico y asegurar en todo caso una cada libre constante. La cabeza de impacto debe de fabricarse con acero de alta resistencia, pudindose colocar un amortiguador entre la maza y la cabeza de impacto.

Las puntazas deben cnicas de acero y formar un ngulo de 90 en el vrtice. Tienen mayor dimetro que el varillaje al que estn acopladas y pueden ser recuperables (fijas al varillaje) o desechables (perdidas). Son preferibles las perdidas porque favorecen la extraccin del varillaje una vez concluido el ensayo.

Fig. 2. Tipos de puntas de penetrmetro dinmico

El varillaje ha de estar constituido por acero de alta resistencia, preferiblemente hueco. Pueden utilizarse dispositivos para contar el nmero de golpes de forma automtica, sin necesidad de estar pendiente del ensayo y su conteo.

Se debera medir la longitud penetrada sobre una escala situada en las barras o mediante sensores de registro.

Como ms adelante se menciona en los criterios de finalizacin de ensayo, debe contarse con un dispositivo para medir el par de torsin necesario para girar las barras de hinca mediante llave dinamomtrica con medidor de par de torsin, al menos hasta 200 Nm.

Un dispositivo para garantizar la verticalidad de las barras que sobresalen del terreno es tambin requerido.

Procedimiento de ensayo resumidoLa preparacin del ensayo se debe realizar sobre plataforma o terreno plano, para favorecer la verticalidad, no debiendo ser mayor del 2% la proyeccin sobre el terreno del mecanismo de hinca y de las barras de hinca.El proceso de hinca debe ser continuo una vez iniciado el ensayo, manteniendo una velocidad de hinca entre 15 y 30 golpes por minuto, debindose anotar las detenciones superiores a 5 minutos.

Por cada metro de perforacin, en las hincas pesadas se deben rotar las barras 1,5 vueltas o hasta que se alcance el par de torsin mximo, que se debe medir y registrar utilizando una llave dinamomtrica.El rozamiento superficial puede disminuirse si se inyecta lodo de perforacin o agua a travs de agujeros horizontales o inclinados hacia arriba, efectuados en las barras huecas cerca de la puntaza.

En el procedimiento de ensayo habitual se va anotando el nmero de golpes cada 10 cm en los dispositivos DPL, DPM y DPH, y cada 20 cm en el caso del DPSH-A y DPSH-B, pudindose considerarse el rango habitual de trabajo entre 3 y 50 golpes por 10 cm en DPL, DPM y DPH, y entre 5 y 100 golpes por 20 cm en DPSH-A y DPSH-B.

El ensayo puede darse por concluido cuando el nmero de golpes excede dos veces los valores mximos indicados.Si los suelos son muy blandos, puede anotarse el intervalo de penetracin por golpe, mientras que en terrenos duros o rocas blandas, se puede anotar la penetracin para un cierto nmero de golpes como alternativa a los ndices N.

En normativas anteriores a la actual ISO, se detena tambin el ensayo cuando el valor del par de rozamiento exceda los 100 Nm en DPH y 200 Nm en DPSH. En la figura 3 podemos observar un tpico grfico de penetracin dinmica DPSH, con registro de golpeos cada 20 cm y medida de par cada metro.

Tabla 1. Resumen de tipos de dispositivos de aparatos de penetracin dinmica.

Fig. 3. Grficos de penetracin dinmica DPSH3 INTERPRETACIN DEL ENSAYO. PARMETROS clsicos PROPORCIONADOS.

Los penetrmetros dinmicos fueron originalmente diseados para obtener datos estimativos de la resistencia a la penetracin del suelo, y en particular para determinar la compactacin y densidad relativa de suelos granulares, que son habitualmente dificultosos de muestrear.

Tambin son usados a menudo para chequear la uniformidad de las condiciones del suelo en un emplazamiento determinado, proporcionando la situacin y espesor de los diferentes estratos y la profundidad del sustrato rocoso o nivel resistente.

Los registros de las penetraciones dinmicas continuas suelen ser un buen referente a la hora de estimar las longitudes futuras de pilotes prefabricados de hinca, en especial cuando utilizamos los DPSH, pero dichas longitudes deben ser confirmadas al inicio de obra con los denominados pilotes de prueba.

La seleccin del equipo de penetracin dinmica viene dada por el tipo de campaa prevista, las condiciones locales del subsuelo y el propsito de la investigacin.

Como ms adelante se desarrollar, las campaas de penetraciones dinmicas deben de contar con sondeos de investigacin de control o referencia en los que se realicen ensayos de penetracin SPT, con el objeto de establecer correlaciones de tipos de suelos y de compacidad.A partir de los datos proporcionados por el ensayo, podemos extraer diversa informacin cualitativa y cuantitativa. El enfoque ms clsico y antiguo, proviene de los trabajos recopilativos de G. Sanglerat (1967), donde se establecen relaciones directas entre el n de golpes y la resistencia dinmica, y a partir de aqu en funcin de varias expresiones, se estiman cargas admisibles de trabajo para cimentaciones superficiales y profundas. Hoy en da este procedimiento es menos riguroso por las limitaciones clsicas del ensayo, y debe de ser considerado como una aproximacin o como un valor previo de anteproyecto.En base a este enfoque de expresiones clsicas resulta la deduccin de la resistencia dinmica por la formulacin de los holandeses:

(1)Donde:

M= Peso de la maza en kilogramos

P= Peso de las varillas en kilogramos

e= Penetracin en cm por nmero de golpes

A= seccin de la punta en cm2H= altura de cada de la maza en cmLa resistencia dinmica puede tambin correlacionarse con la esttica a partir de diferentes expresiones, lo que permite entrar en formulaciones de capacidades portantes estticas, como la relacin propuesta por Buisson.S/D (Relacin entre resistencia esttica y dinmica)Tipo de terreno

0,30Suelos de compacidad floja o consistencia blanda

0,50Arcillas

0,75Arenas

1,00Gravas con fuerte rozamiento

Tabla 2. Relacin resistencia esttica/dinmicaDe igual manera, a partir del propio dato de la resistencia dinmica, determinados autores establecieron la presin admisible de trabajo para cimentaciones superficiales, como 1/20 de dicha resistencia dinmica.En el caso de cimentaciones por pilotes, su capacidad de carga poda evaluarse de la dinmica con un factor oscilante entre Rd/6 y Rd/12.Para estimacin de asientos, existen tambin expresiones que permiten obtener el mdulo de deformacin, y a partir de este dato pueden utilizarse las expresiones habituales elsticas.

(2)Donde es un coeficiente dependiente del tipo e suelo, y qc es la resistencia esttica de punta o resistencia de punta Rp.Tipo de sueloResistencia por punta (qc, kg/cm2)Valor de

Arenas>451,50

Arena arcillosa y arcilla compacta15