https://doi.org/10.22463/2011642X.4586
Recibido: 10 de junio de 2024 - Aprobado: 23 de octubre de 2024
Cómo citar:
C.A. Buenahora-Ballesteros, O.M. Bravo-Molina, A.M. Martínez-Graña y A.O. Pedroza-Rojas, “Compatibilidad del ensayo de cono de arena con el equipo LWD para el control de calidad de rellenos in situ y análisis de ensayos MASW”, Rev. Ingenio, vol. 22, n º1, pp. 16-24, 2025, doi: https://doi.org/10.22463/2011642X.4586
La existencia de un método como el cono y arena para el control de calidad de rellenos con material In Situ ostenta algunas desventajas, entre ellas se encuentra el control de la humedad y granulometría presente en el suelo, ya que, si no se tiene un estricto control en cada una de ellas, es posible que los suelos queden aparentemente compactados, pudiendo llegar a ocasionar inconvenientes en las estructuras que vayan a ser apoyadas. La invención de un dispositivo tecnológico como el LWD (Deflectómetro de Impacto Ligero) para el control de calidad es un avance importante que permite realizar mayor cobertura de análisis puntual de pruebas en terreno, debido a su versatilidad y rapidez en la toma de pruebas en campo, además de ser un equipo con mayor sensibilidad a los cambios de granulometría y humedad, permitiendo tener mayor control en la aceptación de la compactación de capas. En la presente investigación se mostrarán los resultados y análisis de dos metodologías diferentes como garantes de la compactación del suelo de un relleno con dos diferentes fuentes, las cuales son el método de cono y arena y el equipo LWD. Finalmente, realizará una comparación de estos resultados con un ensayo de ondas superficiales (MASW, Análisis Multicanal de Ondas Superficiales) como resultado de la investigación se logró mostrar que a diferencia del ensayo de cono de arena, el LWD es una técnica adecuada de control de la compactación en especial porque no depende de la humedad y la granulometría de los suelos, y se correlaciona mejor con los resultados ensayos sísmicos.
Palabras clave:Compactación, densidad, humedad, control de calidad, cono y arena, LWD.
The existence of a method such as cone and sand for quality control of fills with in situ material has some disadvantages, among them is the control of moisture and granulometry present in the soil, since, if there is not a strict control in each one of them, it is possible that the soils are apparently compacted, this may cause inconveniences in the structures to be supported. The invention of a technological device such as the LWD (Light Weight Deflectometer) for quality control is an important advance that allows greater coverage of punctual analysis of field tests, due to its versatility and speed in taking field tests, besides being an equipment with greater sensitivity to changes in granulometry and humidity, allowing greater control in the acceptance of the compaction of layers. This research will show the results and analysis of two different methodologies as guarantors of soil compaction of a backfill with two different sources, which are the cone and sand method and the LWD equipment. Finally, a comparison of these results with a surface wave test (MASW, Multichannel Analysis of Surface Waves) will be carried out. As a result of the research, it was shown that unlike the sand cone test, the lwd is an adequate compaction control technique, especially because it does not depend on the moisture and granulometry of the soils, and correlates better with the seismic test results.
Keywords:Compaction, density, humidity, quality control, sand cone, LWD.
1. IntroducciónEl método de cono y arena posee algunas limitaciones relacionadas con el tiempo de ejecución de las pruebas para la determinación de la compactación de un relleno [3]. Una de las repercusiones importantes relacionadas con el tiempo de ejecución es la baja cobertura de aplicación de pruebas de compactación, infiriendo que el control de compactación de un relleno en toda su área no sea determinado, por tal motivo, no se puede garantizar una estabilidad general en la estructura del relleno [3].El problema que puede ocasionar esta baja cobertura en la infraestructura que vaya a ser construida sobre un relleno está asociado con inconvenientes a nivel estructural como agrietamiento o asentamientos de las estructuras. De la misma manera otra limitación del método de cono de arena es la presencia de fragmentos de roca genera una incertidumbre en los valores de la densidad puesto que altera fácilmente los valores con los que se calcula este parámetro del suelo de relleno, así como la alta sensibilidad en los resultados con relación a la presencia de humedad, qué cómo se es conocido de la gráfica de la curva de compactación, un menor o mayor valor de la humedad incide de manera considerable en la disminución de la densidad esperada.
El porcentaje de agua presente en el suelo para la compactación es un factor determinante para obtener la densidad máxima seca de un relleno [4].Un porcentaje de humedad en el suelo ubicado por encima o por debajo del valor óptimo de humedad, puede ocasionar excesiva deformación producto de la destrucción de la cohesión entre las partículas del suelo y presentar agrietamiento de este al ser expuesto a las cargas de compactación [5].Sin embargo, cuando un relleno es evaluado por el método de cono y arena y sí el material empleado para compactar contiene altos volúmenes de gravas de tamaño mayor a 3/4”; éstas pueden compensar los valores que se hallen por encima del valor óptimo de humedad determinado por el método del ensayo de Proctor modificado (INV E 142-13) [6].
Otra de las desventajas del método del cono y arena para el control de compactación de rellenos con suelo In Situ proviene del control de la granulometría de los materiales empleados para su construcción, puesto que, de la cantera donde se extrae el material para el relleno, generalmente está constituido por suelo y bloques de roca o cantos de gran tamaño, que, durante la etapa de compactación no generan la calidad esperada del relleno. La matriz de un suelo a compactar es la que soportará los esfuerzos de un equipo compactador y se deformará, mientras que los bloques de roca o los cantos, sólo se acomodarán al interior de la estructura del relleno, sin embargo, aumentará la densidad del relleno debido a que posee un peso unitario mayor que la matriz del suelo, pero no precisamente no es un indicador correcto de la calidad del mismo.
De acuerdo con lo mencionado anteriormente y con base en lo que se desarrollará a lo largo de este documento (otras técnicas de caracterización de suelos), la compactación aprobada por el método de cono y arena no garantiza que las obras que se construyan sobre el relleno no presenten inconvenientes estructurales en el futuro [14].
Enunciadas las ventajas y desventajas con el uso del método de cono de arena y en función de los avances de la tecnología en la geotecnia, se da paso al desarrollo de nuevas metodologías para el control de calidad de rellenos, entre ellas, el deflectómetro de impacto liviano (LWD); equipo no invasivo, que evalúa el grado de compactación de los rellenos de forma indirecta, es decir, que es un ensayo no destructivo. Con la ventaja de la versatilidad y su fácil operación, además de obtener resultados en tiempo real y en menor tiempo de evaluación comparado con el método de cono de arena y el densímetro nuclear, en los que se tiene afectación de la estructura del relleno y del operador respectivamente [3].
En Colombia, esta nueva tecnología es poco empleada, por su falta de conocimiento y aplicabilidad en el sector civil, es por ello, que a través de la presente investigación se pretende dar a conocer la compatibilidad de los resultados obtenidos en el control de calidad de un relleno empleando el método de cono y arena y el método del LWD, equipo fabricado por la empresa Dynatest [8].
Los resultados y análisis de resultados se realizaron de acuerdo con la recopilación de datos de campo en la construcción de un relleno con un suelo de tipo limo arenoso, ubicado en una obra del área metropolitana de Bucaramanga, departamento de Santander, el cual fue compactado en caparas de 30 cm de espesor.
2.AntecedentesLa determinación de la densidad y la humedad del suelo en el terreno se llevó a cabo teniendo en cuenta lo estipulado en la norma INV E 161 – 13 (método del cono y arena) [2].Los elementos utilizados para ensayos de cono y arena se pueden observar en la Figura 2 y Figura 3. El objetivo de este ensayo es realizar la comparación entre el peso unitario de una arena (calibrada) previamente seleccionada (arena de Ottawa) y la densidad máxima seca del suelo extraído (ver Figura 3). Al suelo extraído se le determina, contenido de agua respecto al peso seco del suelo, por medio de un dispositivo para tal fin conocido como humedómetro.
En contraste con el método del cono de arena, la compañía DYNATEST con sede en Dinamarca desarrolló e implemento el uso del deflectómetro de impacto liviano (LWD) para el control de calidad de las estructuras que componen un pavimento (base, subbase y subrasante) [8] con base a la norma AASHTO TP-456-2017 [9] incluso para nuevas técnicas de pavimentación [15].Este equipo tiene como principio de funcionamiento la caída de una masa 10Kg sobre unas gomas, las cuales transmiten la energía a un plato metálico de 300 mm de diámetro, el cual se encuentra en contacto con el suelo; la caída de la masa produce un pulso de carga; con la información del pulso de carga se determinan los esfuerzos y deflexiones del suelo, y así, se calcula el módulo de deformación unitaria (E) usando la solución elástica lineal, que en otra palabras y para efecto de esta investigación se le denominará módulo de superficie [3].
Este equipo está compuesto por tres partes principales: (a) Una base de placa metálica con sensores (geófonos); (b) sistema de adquisición de datos (pulso de carga), gomas amortiguadoras de constante elástica definida y una barra guía y (c) aplicaciones para toma de datos y procesamiento de las señales [3], ver Figura 4.
La profundidad de influencia de la caída de la masa es de hasta 300 mm dependiendo de los materiales a ensayar, y su influencia decrece a medida que el módulo elástico de la capa evaluada aumenta [4].
Para realizar el control de calidad de los rellenos por medio del ensayo del LWD se debe determinar el módulo elástico de superficie en laboratorio (EField) y el módulo de superficie de campo (ELab). Sí la relación de EField/ELab es mayor a uno, se concluye que la capa evaluada es aceptada, en caso contrario, ésta será rechazada.
Para determinar el módulo de superficie de laboratorio se empleó la ecuación 1:
ELab: Módulo de superficie de laboratorio (Mpa)
Ki: Rigidez del suelo (N/mm)
ʋ: Coeficiente de Poisson
H: Altura del molde usado (mm)
D: Diámetro de la placa de carga del LWD (mm)
La ecuación 2 permitió determinar el módulo de superficie de campo se empleó la siguiente ecuación (2):
EField: Módulo de superficie de campo (Mpa) Ki: Rigidez del suelo (N/mm) ʋ: Coeficiente de Poisson A: Factor de distribución de esfuerzos ro: Radio de la placa de carga (mm)
Para validar los resultados de los ensayos de LWD, se puede utilizar los análisis multicanal de ondas superficiales (MASW) que hoy en día son empleados para determinar la rigidez del suelo mediante la propagación de ondas sísmicas superficiales (Rayleigh) donde dicha rigidez se asocia a las deformaciones que son determinadas con el ensayo de LWD. El ensayo consiste en un arreglo geométrico de 24 geófonos de 4.5 Hz de frecuencias, los cuales son enlazados a un cable sísmico, y este a su vez, a un sismógrafo de 24 canales. Para la toma de la información se emplea un maso que golpea una platina ubicada en el suelo con el fin de generar las ondas que luego son grabadas con la ayuda de un sismógrafo [10].Finalmente, las señales obtenidas son tratadas y posteriormente procesadas para obtener una tomografía 2D que muestra la distribución de velocidades de ondas de corte a través del perfil de suelo a lo largo del arreglo geométrico mencionado.
Para hacer uso de los ensayos de ondas superficiales (MASW) la norma técnica colombiana sismo resistente (NSR-10) en el capítulo A (Tabla A.2.4.-1), se establecen límites para clasificar el tipo de suelo: Perfil de suelos Tipo C, suelos muy densos con velocidades de onda 360 m/ s≤Vs≤760 m/s, Perfil Tipo D, suelos rígidos con velocidades de onda 180 m/s≤Vs≤360 m/s y perfil de suelo Tipo E (Vs≤180 m/s), suelos considerados como de baja rigidez, propensos a deslizarse o generar asentamientos importantes bajo cargas estáticas y sísmicas [11].
3. MetodologíaLos materiales seleccionados para realizar las pruebas tanto en campo como en laboratorio fueron los siguientes: un material residual limo arenoso con presencia de bloques de roca (Material A) y un suelo limo arenoso de procedencia aluvial (Material B) sin la presencia de fragmentos de roca.
Las relaciones empleadas en la mezcla de suelo/agua para determinar la densidad seca y la humedad óptima se muestran a continuación:
Para cada mezcla de suelo según las relaciones de humedad definidas se determinaron los módulos de superficie de laboratorio a diferentes alturas de caída de la carga, y así, realizar la gráfica ELab Vs %Humedad. Establecido el valor óptimo de humedad para cada tipo de material y la gráfica ELab Vs %Humedad se determinó el módulo de superficie objetivo a obtener en campo.
La determinación de la densidad del suelo en el terreno se realizó a través del método del cono y arena (norma INVE 161 – 13) [2], mientras que la toma de datos con el equipo LWD se realizaron con un plato de 150 mm y 300 mm y a diferentes alturas de caída, 5”-10” y 10”-15” respectivamente (ver Figura 6). Finalmente, para tener un control de la humedad del suelo en campo se empleó el humedómetro.
Los módulos de laboratorio obtenidos fueron los siguientes, Material A, ELab: 65 MpPa y para el material B, el ELab: 75 MpPa. (Ver Figura 8 y Figura 9). Para cada uno de los materiales, fue necesario ajustar los módulos de laboratorio determinados debido a que en campo se evidenció que los suelos empleados para la compactación mostraron mayores contenidos granulares (partículas con tamaño mayores a ¾” de diámetro) que los determinados mediante el ensayo de Proctor modificado. El recalculo realizado conllevó a obtener un módulo ELab para el material A y B de 80 MPpa y 100 MpPa respectivamente.
La toma de datos en campo en el equipo LWD se realizaron con el plato de 150 mm y 300 mm, y a diferentes alturas, 10” y 15” respectivamente, como se evidencia en la Tabla 3 y Tabla 4.
Nota: %Alcan, se refiere al grado de compactación alcanzado, como una relación entre la densidad medida en campo y la densidad seca máxima obtenida del ensayo Proctor modificado.
El material B fue evaluado en un relleno ubicado sobre el mismo sector del material A; adicionalmente, se tomaron solo 5 puntos para el control de calidad tanto con el ensayo de cono y arena y el equipo LWD., resultados que se muestran en las Tablas 5 y 6.
Las Tabla 7 y Tabla 8 y Figura 10. muestran los resultados de los ensayos de cono y arena, LWD y ensayo de ondas superficiales (MASW-2D) para el material A
Según el estudio desarrollado por Charles Shwartz. et al [7], los módulos de superficie obtenidos con el equipo LWD tanto en el laboratorio como en campo, están influenciados por dos variables, la granulometría y la humedad presente cuando se realiza las pruebas con el equipo. Para el material A, específicamente los punto 1 y 2 y para el material B, los puntos 4 y 5, el contenido de humedad determinado en campo es superior de acuerdo con el Instituto Mexicano del Transporte (Wo-3%≤Wcampo≤Wo+2%) [13], es decir, las capas que vayan a ser ensayadas con el equipo LWD y posean un valor de contenido de humedad fuera del rango posiblemente no cumplan con las exigencias en el control de calidad del relleno. Con base a lo explicado anteriormente, se evidencia que los puntos evaluados tienen un valor de módulo (EField) inferior al exigido (<100%) y confirma que las capas ensayadas tienen un porcentaje alcanzado de la densidad en campo menor al 90%, demostrado la gran influencia del contenido de humedad en la compactación de los materiales.
Durante la fase de toma de pruebas en campo, se observó que el material A contenía partículas mayores a ¾” proporcionando un incumplimiento con lo estipulado en la norma INV E 142 – 13, ensayo de Proctor modificado. Teniendo en cuenta los acotado anteriormente, los puntos 6 y 7 del material A mostraron un contenido de humedad dentro del rango (establecido arriba), sin embargo, como se evidenció en campo, el exceso de bloques de roca no genera implícitamente buena compactación del relleno, motivo por el cual, el punto 6 a pesar mostrar un porcentaje de densidad en campo mayor al 90%. Este mismo punto evaluado con el equipo LWD no cumple con los requerimientos de calidad (EField/ELab>1).
Los ensayos de ondas superficiales (MASW) son una herramienta útil para evaluar las propiedades del suelo, entre ellas la rigidez del terreno. La Figura 11 muestra el resultado de un ensayo de MASW 2D para el material A y la interpretación de ésta indica que el suelo es de baja rigidez, es decir, que el control en la compactación del relleno no fue la correcta, a pesar de que los ensayos de cono y arena mostraron que el relleno cumplía con el porcentaje de compactación exigido (ver Tabla 8). Es importante hacer la salvedad que al procesar los datos del ensayo MASW se tiene un intervalo, en profundidad de mejor resolución, y, usualmente, los primeros cm, no tienen una adecuada resolución, aún cuando se utilice una distancia entre geófonos mínima. No obstante si es posible establecer grado de homogeneidad de la capa, según los valores de velocidad obtenidos. Cabe anotar, que en dicho sitio los ensayos realizados con el equipo LWD mostraron que el suelo compactado no cumple con los requisitos de calidad, debido al exceso de humedad presente en el suelo empleado para el terraplén. Tomando como referencia lo acotado en la norma NSR 10, aquellos suelos que posean una velocidad inferior a 180 m/s son susceptibles a deslizarse o presentar asentamientos bajo cargas estáticas o dinámicas (sismos), lo cual se confirma en los datos 1, 2, 6 y 7 de la Tabla 3.
Finalmente, los dos materiales ensayados en los puntos 3, 4 y 5 (material A) y 1, 2 y 3 (material B) a través de las dos metodologías empleadas muestran que existe coherencia entre los resultados obtenidos, infiriendo que la capa analizada cumple con los estándares de calidad exigidos, tanto por el ensayo de cono y arena como con el equipo LWD.
4. ConclusionesLa ejecución de ensayos con el equipo LWD es una alternativa viable para controlar la compactación de un relleno principalmente cuando no se tiene un control eficiente de la humedad y la granulometría, contrario a lo que sucede con el ensayo del cono de arena. Al fin al cabo un terraplén con bajas deformaciones es quien define la calidad de este.
Se concluye que el equipo LWD muestra mayor versatilidad mayor versatilidad, rapidez y confiabilidad comparado con el e sayo del cómo de arena en la toma de pruebas en campo comparado con el ensayo de cono y arena, garantizando mayor cobertura en el control de calidad de un relleno y optimización en los tiempos de ejecución de los ensayos que se emplean para evaluar la calidad de un relleno.
A pesar de ser un equipo diseñado para el control de calidad de la estructura de un pavimento y tener poca aplicabilidad en Colombia, el equipo LWD puede prestar grandes servicios en el mundo de la geotecnia como es la verificación del nivel de suelo de fundación recomendado cuando en un estudio de suelos se recomienda una capacidad admisible del suelo mediante el control de los asentamientos en un modelo de elementos finitos.
Un control de compactación con cono y arena no siempre es un indicativo de calidad del terraplén convirtiéndolo en un sistema obsoleto y en especial para estructuras diferentes a las de una vía.
7. Referencias[1] INVIAS, editor. Determinación de la densidad y del contenido de agua del suelos y suelo-agregado en el terreno empleando medidores nucleares (INV-E-164). Instituto Nacional de Vías, 2013.
[2] INVIAS, editor. Densidad y peso unitario del suelo en el terreno por el método de cono y arena (INV-E-161). Instituto Nacional de Vías, 2013
[3] E. C. Salamanca (2019) Curvas de calibración para el control de la calidad de compactación usando el equipo LWD en capas granulares en un proyecto de infraestructura vial. [online].Available: http://hdl.handle.net/10554/47174.
[4] Osorio, A. (2008). Metodología de evaluación In-Situ de la capacidad de soporte de bases y subbases granulares de pavimentos flexibles con el deflectómetro de impacto liviano. Santiago de Chile, Chile. [online] Available: https://repositorio.uc.cl/handle/11534/1435.
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[8] Dynatest. (2020). User Manual of Dynatest 3032 LWD (Light Weight Deflectometer). Dynatest A/S Denmark. [online] Available: https://f.hubspotusercontent10.net/hubfs/19512362/1110300%20LWD%203032%20User%20Manual%201.0.6b.pdf
[9] AASHTO-TP456-01, editor. Compaction Quality Control Using Light Weight Deflectometer (LWD), 2017
[10] Hayashi, K., Suzuki, H. (2004). CMP cross-correlation analysis of multi-channel surface-wave data. Vol. 57-No.1. Ibaraki, Japan. [online] Available: https://www.geometrics.com/wp-content/uploads/2018/10/ Hayashi_CMPXCorrelation.pdf
[11] NSR–10. (2010). Requisitos generales de diseño y construcción sismo resistente, Título A. Pág. 22. Bogotá, Colombia. [online] Available: https://www.scg.org.co/Titulo-A-NSR-10-Decreto%20 Final-2010-01-13.pdf
[12] INVAS, editor (2013). Determinación en el laboratorio del contenido de agua (humedad) de muestras de suelo, roca y mezclas de suelos-agregado. (INV-E-122). Instituto Nacional de Vías.
[13] Instituto Mexicano del Transporte. (2020). Grado de compactación con deflectómetro de impacto liviano. (M•MMP•1•16/20). [online] Available: https://normas.imt.mx/normativa/M-MMP-1-16-20.pdf.
[14] O. A. Cuanalo-Campos, R. Ayala-Aranda, y L. J. Quintero-Lemus, “Diseño geotécnico y dinámico de la cimentación para una máquina laminadora de mármol en la ciudad de Puebla, México”, Revista Ingenio, vol. 21, n.º 1, pp. 1–8, 2024. Doi: https://doi.org/10.22463/2011642X.3588
[15] M. Gómez-Galván, R. Gallardo-Amaya, y A. A. Macgregor-Torrado, “Pavimentación con asfalto natural “MAPIA”. Estudio de caso: Proyecto mejoramiento de la vía El Diviso – Torcoroma del municipio de San Martin, Cesar”, Revista Ingenio, vol. 16, n.º 1, pp. 10–15, 2019. Doi: https://doi.org/10.22463/2011642X.2334
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