Caracterización de suelos de subrasante mediante el uso del penetrómetro dinámico de cono (PDC)
Characterization of subsoil soils by using of dynamic cone penetrometer (DCP)
Agustín MacGregor Torrado1 
, Romel Jesús Gallarda Amaya 2, Haideé Yulady Jaramillo 3
1 Especialista en Geotecnia Ambiental, aamacgregort@ufpso.edu.co, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Docente Departamento de Ingeniería Civil, orcid.org/0000-0002-5144-8572, Ocaña, Colombia.
2Magister en Geotecnia, rjgallardoa@ufpso.edu.co, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Docente Departamento de Ingeniería Civil, orcid.org/0000-0002-4740-4841, Ocaña, Colombia.
3Magister en Construcción, hyjaramillo@ufpso.edu.co, Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, Docente Departamento de Ingeniería Civil, orcid.org/0000-0002-4185-119X, Ocaña, Colombia.
How to cite:
A. MacGregor-Torrado, RJ. Gallarda-Amaya, H. Yulady-Jaramillo, “Caracterización de suelos de subrasante mediante el uso del penetrómetro dinámico de cono (PDC)”. Respuestas, vol. 25, no. S2, pp. 59-68, 2020.
Received on September 05, 2019; Approved on December 15, 2019
ABSTRACT
In the development of road projects, as well as in different infrastructure works, the characterization of the materials is necessary to know their behavior. In the case of subgrade materials, their support capacity can be defined by the CBR index, which is an indicator of their resistance to shear and whose estimation is made by various field and laboratory methods. The objective of this research is the characterization of the ground as subgrade material from the CBR index obtained with the dynamic cone penetrometer (PDC) test for unpaved roads in the municipality of Ocaña. Four stages of work have been proposed: Field recognition, sampling, field and laboratory tests, and analysis of the results. The soils in the study areas have a significant content of fines with percentages between 7% and 70% that classify as sands and clays according to the unified SUCS system, with plasticity indexes between 6 and 25, and PDC index between 2 and 75 which corresponds to CBR values between 58% and 5% respectively, this applying the equation proposed by the INV standard E 172-13. In conclusion, the use of this method for the characterization of sub-grade soils is an alternative that provides economy and speed for the measurement of the support capacity through the CBR index. From the behavioral point of view, the PDC index allows sub-grading to be classified in a range from Poor to Excellent, which provides an initial perspective of the quality of the terrain
Keywords:CBR, Characterization, Dynamic Cone Penetrometer, Sub-Grade, Support Capacity.
RESUMEN
En el desarrollo de proyectos viales, así como en diferentes obras de infraestructura, es necesaria la caracterización de los materiales para conocer su comportamiento, en el caso de los materiales de sub-rasante, su capacidad de soporte se puede definir mediante el índice CBR, el cual es un indicador de su resistencia al cortante y cuya estimación se hace mediante diversos métodos de campo y laboratorio. El objetivo de esta investigación es la caracterización del suelo como material de sub-rasante a partir del índice CBR obtenido con el ensayo de penetrómetro dinámico de cono (PDC) para vías no pavimentadas del municipio de Ocaña. Se han planteado cuatro etapas de trabajo: Reconocimiento de campo, muestreo, ensayos de campo y laboratorio y análisis de los resultados.Los suelos en las zonas de estudio poseen un contenido significativo de finos con porcentajes entre 7% y 70% que clasifican como arenas y arcillas según el sistema unificado SUCS, con índices de plasticidad entre 6 y 25, e índice de PDC entre 2 y 75 que corresponde a valores de CBR entre 58% y 5% respectivamente, esto aplicando la ecuación que plantea la norma I.N.V. E 172-13.En conclusión, el uso de este método para la caracterización de suelos de sub-rasante es una alternativa que brinda economía y rapidez para la medición de la capacidad de soporte mediante el índice CBR. Desde el punto de vista del comportamiento el índice PDC permite clasificar la sub-rasantes en un rango de Pobre a Excelente, lo cual brinda una perspectiva inicial de la calidad del terreno.
Keywords:Capacidad de Soporte; Caracterización; CBR; Penetrómetro dinámico de cono; Subrasante.
Introducción
Toda obra civil relacionada con proyectos viales, así como en cualquier otra línea asociada a la construcción de obras de infraestructura, requiere de estudios previos que permitan la formulación de dicho proyecto. Es así como en proyectos de infraestructura vial la caracterización de los materiales de sub-rasante es una de las variables indispensables a considerar en el diseño de las estructuras de pavimento [1] [2]. Esta caracterización incluye la determinación de la capacidad de soporte de sub-rasante o comúnmente llamada relación de soporte de california (CBR) con el cual se busca tener una medida de la resistencia al cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas.
Existen diferentes normas a nivel nacional e internacional que describen los métodos que permiten estimar el valor de CBR, entre los más utilizados se consideran algunos como: CBR de laboratorio con muestras alteradas e inalteradas ((INV E 148 -13) [3], (ASTM D1883) [4], y CBR in Situ (INV E 169 -13) [5], (ASTM D4429)) [6], entre otros. Dichos métodos por lo general involucran altos costos y el empleo excesivo de tiempo para su realización, por lo que se ha recurrido a métodos más simples y rápidos que permitan obtener la resistencia en campo [7] [8]. En la actualidad uno de los más utilizados es el método del Penetrómetro Dinámico de cono (PDC), el cual lo rige las normas INV E 172 -13 [9] y ASTM D 6951 [10], pero que presenta el inconveniente que determina valores que son producto de diferentes ecuaciones de correlación planteadas por diferentes autores a través de los años, relacionándose, para determinadas tipologías de suelos, con los métodos de CBR con muestras en laboratorio e In situ [11].
El registro más antiguo de un dispositivo de penetración similar al PDC es el “ram penetrometer” a finales del siglo XVII presentado Nicholaus Goldmann en Alemania, posteriormente sobre el año 1936 un nuevo y mayor desarrollo fue presentado por Künzel, al cual se le conoció como “Prüfstab”, y que fue utilizado por Paproth en 1943 y estandarizado en 1964 como “Light Penetrometer” Norma Alemana DIN 4094; en concurrencia países como Estados Unidos y Canadá desarrollaron otras normas para dispositivos de penetración pero que originalmente fueron desarrollados por Scala (1956) ) [12] [13], posteriormente fue desarrollada una norma en África central que fue modificada por Van Vuuren (1966) [14] [15], y utilizada hasta el año 1973 en Sudáfrica en una extensa investigación para conocer, de una forma simple, la resistencia In Situ de los materiales de sub-rasante.
Son diversas las investigaciones que han sido ejecutadas para desarrollar relaciones empíricas entre la resistencia de penetración PDC y las mediciones de CBR (p. ej., Kleyn , 1975; Harison, 1987; Livneh, 1987; Livneh e Ishai, 1988); Chua, 1988; Harison, 1983; Van Vuuren, 1969; Livneh, et. al., 1992; Livneh y Livneh, 1994; Ese et. al., 1994; y Coonse, 1999 [8] [16] [17]. A nivel nacional existe una variedad de estudios llevados a cabo por CORASFALTOS, Universidad del Cauca [18], y la Universidad de Nariño; así mismo a nivel regional las investigaciones realizadas por Lacera. (2006), Flores, Torres, Torres & Peña, (2017) [19], todas con el objetivo de obtener el valor de capacidad de carga de sub-rasante de una forma rápida, económica y confiable.
Para el caso de esta primera fase de la investigación se tiene como objetivo primordial la de caracterizar los materiales de sub-rasante a partir del uso del penetrómetro dinámico de cono, utilizando la ecuación de correlación que indica la norma INVIAS E-172-13, la cual fue planteada por el cuerpo del ejército americano de Ingenieros (U.S. Army Corps of Engineers_Webster et al. (1992) [8] [18], adoptando para la respectiva clasificación de la subrasante lo descrito en el manual del asfalto [20] [21]. Posteriormente en una segunda fase de la investigación se plantea utilizar la información recopilada para derivar una ecuación propia que sea aplicable a los suelos típicos de subrasante de vías terciarias para el municipio de Ocaña, Colombia.
Para realizar la primera fase de la investigación corres-pondiente a la caracterización de materiales de sub–ra-sante a partir del uso del penetrómetro dinámico de cono se ha planteado una estructura de trabajo como se mues-tra en la Figura. 1, la cual permitió caracterizar los ma-teriales de las subrasantes de las zonas de estudio y esta-blecer los procedimientos a emplear en el desarrollo de la investigación para determinar el Índice CBR a partir de la correlación planteada por el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos y, utilizada por la Norma INVIAS E – 172 -13.
Figura 1. Metodología de investigación. Fuente: Autores
La investigación implementada para el desarrollo del proyecto es de tipo experimental, considerando el trabajo de campo para la recolección de información del IPDC que permitiera obtener los valores de CBR, el muestreo necesario para clasificar los suelos encontrados y el análisis estadístico realizado, y a su vez de tipo descriptivo ya que se permite organizar y presentar un conjunto de datos de manera que describan en forma precisa las variables analizadas haciendo rápida su lectura e interpretación. La recopilación de las muestras se realizó a través de un muestreo por áreas, el cual es uno de los tipos de muestreo por conglomerado [22], en el que el área geográfica, sirve de base, para determinar los estratos de la población, se utiliza cuando la población objeto del estudio se puede delimitar por áreas o espacios específicos, además de tener entre sus ventajas que es muy eficiente cuando la población es muy grande y dispersa. En el proyecto la población de estudio se dividió en cuatro sectores, tres del área rural (Corregimiento de Pueblo Nuevo, Vereda el Rhin en los predios de la Universidad Francisco de Paula Santander y Vía Ocaña - Buenavista) y un sector del perímetro Urbano del municipio de Ocaña en el sector del Barrio El Hatillo (ver Figura. 5), seguido de un muestreo aleatorio con un grado de confianza del 95%, un margen de error del 9%, una proporción esperada del 93% y una probabilidad de fracaso del 7%. El resultado del tamaño de la muestra para las condiciones antes mencionadas fue de 30, calculado mediante (1) [23]. Los sectores de muestreo se discriminan de la siguiente forma: 9 muestras sector del Hatillo, 8 del sector Corregimiento de Pueblo Nuevo, 6 del Sector UFPSO y 7 del sector de Buenavista, para un total de 30 muestras.
El análisis estadístico a realizar será de tipo univariado, ya que en el proyecto se examinarán los efectos de la variable independiente (Caracterización de suelo Muy regular a Excelente) a partir de una sola variable dependiente (Índice de capacidad de Carga CBR obtenido por correlación con los datos del ensayo de PDC).
Dónde:
Zc es 1.96 es el Nivel de confianza
p es 0.93 es la probabilidad del éxito o proporción esperada
q es 0.07 es la probabilidad al fracaso
d es 0.09 es el margen de error
Figura 2. Desarrollo de Levantamiento Topográfico. Fuente: Autores
Figura 3. Toma de muestras para caracterización. Fuente: Autores
Figura 4. Realización de ensayos con Penetrómetro dinámico de cono. Fuente: Autores
Figura 5. Localización de los tramos viales donde se realizó el muestreo y ensayos PDC. Fuente: Google Earth – Editado
Finalizada la fase 3 correspondiente al programa de ensayos de laboratorio se procedió con la última fase de esta etapa de la investigación, correspondiente al análisis estadístico de los resultados.
Una vez terminado el programa de ensayos de campo y laboratorio se procedió a obtener las propiedades índice y el índice de capacidad de carga CBR mediante (2) para las diferentes muestras tomadas en campo, ver Tabla I y Tabla II respectivamente.
Donde:
IPDC es el índice de penetración dinámica de cono
Tabla I. Propiedades Índice De Los Tramos De Estudio
Tabla II. Calculo Del Indice De Capacidad De Carga “CBR”
Para el análisis estadístico se inició con un diagrama de tallo y hoja [24], tal como se muestra en la Figura. 6, a través del cual se observa que no se tiene una distribución clara, ya que se trabajó con datos no agrupados, lo cual género que el comportamiento no registrara una tendencia y con el cual se alcanzara una aproximación de las características de los materiales analizados.
Figura 6. Diagrama de Tallo y Hoja.Fuente: Autores
Tabla III. Calculo De Intervalos De Clase Con Ecuación De Varios Autores
Tabla IV. Sistema De Clasificación Tipo “Manual Del Asfalto”
Figura 7. Diagrama de Puntos con datos de estudio. Fuente: Autores
Con el fin de reafirmar el comportamiento de los datos mostrado en la Figura. 7 se procede a realizar un diagrama de cajas (ver Figura. 8).
Figura 8. Diagrama de Cajas datos de estudio. Fuente: Autores
Estos resultados en conjunto con los resultados del diagrama de puntos dan un indicador de la tendencia en la caracterización de los materiales.
Con el objeto de ratificar los resultados del diagrama de tallo y hoja, así como del de cajas se procedió a realizar un histograma (ver Figura. 9), tomado los rangos analizados y las frecuencias de cada una de ellos, adicionalmente se trazó un polígono que, debido a los rangos con los que se trabajaron, se muestra como una curva suave, es de aclarar que cuando se realizan histogramas con diferentes anchos de clases la altura de dichos anchos se calculan dividiendo las frecuencias relativas sobre el ancho de dicho intervalo con lo cual se permite calcular la escala de densidad para el eje vertical [24].
Figura 9. Histograma y polígono con Rangos y Datos de estudio. Fuente: Autores
Dentro del análisis estadístico se incluyeron también las medididas de tendencia central tales como la Media aritmética, media geométrica, media armónica y la mediana, las cuales se indican en la Tabla V, para el caso de la moda, para este análisis, no fue posible estimarla debido a que los datos no son de tipo discreto.
Tabla V. Resumen De Las Medidas De Tendencia Central
Tabla VI. Resumen De Medidas De Dispersión, Apuntamiento Y De Asimetría
El uso de este método para la caracterización de suelos de sub-rasante es una alternativa que brinda economía y rapidez para la medición de la capacidad de soporte mediante el índice CBR. Desde el punto de vista del comportamiento de materiales para soportar estructuras de pavimento el índice PDC permite clasificar las sub-rasantes en un rango de Pobre a Excelente, lo cual brinda una perspectiva inicial de la calidad del terreno.
Se evaluó por medio de la ejecución de los ensayos de PDC el índice de capacidad de carga de los suelos de varios sectores viales, donde para cada prueba se obtuvo un índice distinto, observándose cambios en los resultados dependiendo de la transición entre una capa y otra del perfil de sub-rasante explorado; lo cual se corresponde con la presencia de suelos de diferente consistencia y composición granulométrica
En los casos en donde se obtuvo valores de CBR superior al 100%, se evidencia que existen partículas con tamaños iguales o superiores a 50 milímetros (2”), esto confirma que para obtener resultados confiables para el ensayo de PDC, este no se debe ejecutar en suelos con esas características.
Los suelos de sub–rasante de los sectores viales incluidos en la investigación se pueden clasificar de regulares a buenos dentro de los rangos presentados en el manual de asfalto, encontrándose a que el 76.6% se encuentra en el rango de Bueno a Regular, el 6.6% en el rango de Muy Pobre a Regular y el 16.6 % en el de Bueno a Excelente, lo cual permite establecer la calidad de los suelos de sub-rasante de los corredores viales terciarios del área geográfica seleccionada para la investigación.
Todos los cálculos del índice de CBR se realizaron con la ecuación de correlación genérica que usa la Norma INVIAS E-172-13 a partir de los datos obtenidos con el penetrómetro dinámico de cono (PDC), es de aclarar que existen muchas ecuaciones de correlación formuladas a nivel internacional y nacional, pero el uso de ellas debe hacerse con mucha cautela, por lo tanto se recomienda realizar estudios regionales o locales con el fin de obtener ecuaciones particulares de correlación que permitan obtener con mayor certeza los valores de CBR.
Todas las variables estadísticas analizadas en la investigación muestran como resultado la alta concentración de datos sobre los rangos de buena a excelente del índice de capacidad de carga expresado como %CBR calculado a partir de resultados de correlación con el ensayo de penetrómetro dinámico de cono PDC mediante la ecuación que usa actualmente la Norma INVIAS INV–E 172-13, lo cual plantea la necesidad de corroborar dicho comportamiento a partir de establecer una ecuación de correlación para el área geográfica seleccionada en la investigación con ensayos de CBR de laboratorio con muestras alteradas e inalteradas [3] y los respectivos ensayos PDC [9] del estudio, esto con el objetivo de obtener una ecuación específica que aplique a la tipología de suelos presente en la región donde se desarrolló la investigación, de modo que permita obtener a futuro resultados más fiables a partir de ensayos PDC [9].
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