APLICACIN DEL DCP EN EL CONTROL DE SUBRASANTES Y TERRAPLENES Ing. Adolfo Frateschi, Universidad Nacional de Crdoba Dr. Ing.

Franco M. Francisca, Universidad Nacional de Crdoba, CONICET Ing. Lucio Bollano, Universidad Nacional de Crdoba Ing. Andrs Degoy, Universidad Nacional de Crdoba Dr. Ing. Alejandro Tanco, Universidad Nacional de Crdoba, Profesor Titular RESUMEN El control de densidad y compactacin de sub-rasantes y sub-bases de pavimentos es uno de los factores principales que limitan el avance constructivo de carreteras. En la provincia de Crdoba generalmente las sub-rasantes y sub-bases se encuentran compuestas por capas de suelos limosos y limo arenosos compactados (A4-8 segn la clasificacin HRB). En este estudio se presenta la potencial aplicacin del Penetrmetro Dinmico de Cono (DCP) para la determinacin de densidades y humedades en suelos A4-8 compactados. Se analiza el efecto de la energa de penetracin del DCP, humedad y densidad del suelo en los resultados obtenidos. A partir de estos resultados, se muestra que es posible obtener correlaciones muy tiles entre los resultados del DCP y la densidad y humedad del suelo compactado. Finalmente, se concluye que el DCP proporciona informacin valiosa que puede ser utilizada como complemento de los mtodos de control de compactacin tradicionales, disminuyendo el tiempo empleado en el control constructivo en las obras de compactacin de suelos. 1. INTRODUCCIN El penetrmetro dinmico de cono (DCP) es una herramienta muy utilizada en la actualidad para realizar auscultaciones in situ, especialmente en el mbito de la geotecnia. Para usos viales, se han desarrollado diferentes correlaciones entre los resultados del DCP y parmetros caractersticos del suelo, como el Valor Soporte Relativo (CBR), el Mdulo Resiliente y la Resistencia a la Compresin no Confinada (Angelone et al, 1994; Bessone y Delprato, 2000). En Sudfrica, el DCP fue utilizado como una herramienta til en la medicin de la capacidad estructural del pavimento (Yoder, 1975). En base a ello, se logr desarrollar un mtodo de diseo y refuerzo de pavimentos basado en esta metodologa de auscultacin (Angelone et al, 1994).

La compactacin de suelos es de fundamental importancia en las obras viales. En el presente trabajo se estudia especficamente el control de compactacin en suelos limosos de origen lossico, muy abundantes en la provincia de Crdoba y toda la regin central de la Repblica Argentina. En las obras viales, los controles de compactacin se realizan generalmente mediante el mtodo del cono de arena. Los resultados que se consiguen con este ensayo, muchas veces se obtienen en tiempos no compatibles con los plazos de obra. En algunos casos se utiliza con el mismo objeto un densmetro nuclear. Sin embargo, esta herramienta es muy costosa y requiere especiales cuidados para su utilizacin, lo que desalienta su uso en obras de mediana envergadura. Una alternativa o complemento para realizar controles de compactacin en obra es el DCP. La estimacin del peso unitario de un suelo a partir de una correlacin con la penetracin del DCP permitira disminuir los tiempos en la determinacin de pesos unitarios de terraplenes y subrasantes mediante un mtodo econmico y casi no-destructivo. La penetracin mediante golpes con el DCP depende de la densidad relativa de los materiales y el perfil de resistencia del suelo a distintas profundidades, lo cual se obtiene contando el nmero de golpes necesarios para penetrar una distancia determinada. En este trabajo, se estudia la influencia de la densidad seca con el ndice de penetracin obtenido del ensayo DCP. Se analiza la incidencia del tipo de suelo, agua incorporada y energa de penetracin en los resultados obtenidos con el DCP. A partir de los resultados obtenidos, se puede afirmar que el DCP es muy til como complemento de un equipo tradicional, para la determinacin de la densidad seca in situ. Este equipo permite obtener informacin confiable, con un bajo costo en equipamientos y operacional y de fcil manejo. 2. MATERIALES Y ENSAYOS En este trabajo se utiliz un suelo limoso. Con el objeto de conocer las propiedades fsicas del suelo se procedi a realizar los ensayos necesarios para su clasificacin, para lo cual se siguieron los lineamientos de las normas de ensayo ASTM, y los lineamientos de las Normas de la Direccin Nacional de Vialidad. Sobre este suelo se realizaron ensayos de pasante tamiz 200, y lmites de Atterberg. Los valores obtenidos se presentan en la Tabla 1. Siguiendo los lineamientos de las Normas de la DNV y HRB el suelo en estudio puede ser clasificado como grupo A-4, con ndice de grupo 8. Se realiz un ensayo de compactacin, para lo cual se adopt la metodologa tipo IV de la norma VN-E5-93 de la DNV. En este ensayo se aplica a la muestra compactada la misma

energa que en un ensayo Proctor Standard (6,08 kg.cm/cm), con la diferencia de que se utiliza un molde de compactacin con un dimetro de 15,25 cm. La utilizacin de un dimetro mayor permite que las muestras puedan ser ensayadas posteriormente con el DCP. Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 1, en donde se puede observar que la densidad seca mxima es de 1.80 tn/m, con una humedad ptima de compactacin del 14.5 %. TABLA 1: Caracterizacin del suelo segn Norma VN-E4-84. Pasante Tamiz IRAM 75 m (N 200) Lmite Lquido Lmite Plstico ndice Plstico 87% 21.4% 20.0% 1.4

1.82 1.80 1.78 1.76 1.74 1.72 1.70 10% 12% 14% 16% 18% Contenido de Humedad
FIGURA 1: Curva de Compactacin Proctor 2.1. Descripcin del DCP El DCP es un equipo que evala la resistencia que opone un suelo a ser penetrado por un cono de dimensiones normalizadas. Para la penetracin del cono se suministra energa

Densidad Seca [tn/m 3]

mediante la cada libre de una masa desde una altura prefijada. El DCP utilizado en este trabajo consiste en una barra de acero de alta resistencia, de 16 mm de dimetro, provista de una punta cnica con un dimetro de 20 mm y un ngulo de ataque de 60. Para las penetraciones se utilizaron masas de 2 y 8 Kg, y una altura de cada de 584 mm. La Figura 2 muestra un esquema de los componentes del DCP y del procedimiento de ensayo.

FIGURA 2: Esquema del DCP

2.1. Procedimiento de ensayo Con el objeto de correlacionar los resultados del DCP con la densidad seca de un suelo compactado, se ensayaron las probetas de laboratorio obtenidas del ensayo de compactacin. Para ello, se apoy el cono sobre la superficie de la misma y se introdujo la punta cnica hasta su dimetro mayor. En este momento se tom la lectura inicial con respecto a la base de la masa, y se procedi a la hinca del cono mediante golpes, tomando

lecturas parciales, de penetracin por golpe. El ensayo se detiene antes de atravesar completamente la muestra para no golpear la base del molde de compactacin con la punta del cono. De esta forma, se descart el sector inferior de la muestra en donde por otro lado podran obtenerse valores no representativos de penetracin producidos por los efectos locales de la base del molde de compactacin. Una vez finalizada la hinca, se determin la humedad de la muestra, obtenindose de esta manera para cada una de ellas, valores de penetracin, densidad y humedad. 3. DESCRIPCIN Y ANLISIS DE LOS RESULTADOS 3.1. Estudio de la Energa de Penetracin En el presente trabajo se realizaron un total de 147 ensayos de compactacin y penetracin. Se utiliz el DCP con la masa de 2 y 8 Kg y una altura de cada de 58.4 cm. En funcin de los resultados de la curva de compactacin (Figura 1), el rango de humedades estudiadas fue del 7% al 18%. En las Figuras 3 a 6 se presentan los resultados obtenidos. Las Figuras 3 y 4 muestran la variacin del ndice de penetracin (DN) con la densidad seca para humedades menores y mayores a la ptima de compactacin respectivamente. Las Figuras 5 y 6 muestran la variacin del ndice de penetracin (DN) con el contenido de humedad volumtrico para humedades menores y mayores a la ptima de compactacin respectivamente.

1,85

Densidad Seca [tn/m ]

1,80 1,75 1,70 1,65 1,60 1,55 0,00

5,00

10,00

15,00

DN [mm/golpe]
FIGURA 3: Relacin Densidad Seca-DN obtenidas con la penetracin de las masas de 2 y 8 Kg para humedades inferiores a la ptima.

Densidad Seca [tn/m ]

1.85 1.80 1.75 1.70 1.65 1.60 1.55 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
8Kg-DN>15 2Kg-DN>3

DN [mm/golpe]
FIGURA 4: Relacin Densidad Seca-DN obtenidas con la penetracin de las masas de 2 y 8 Kg para humedades superiores a la ptima

30

Humedad Volumtrica [%]

25 20 15 10 0.00 5.00 10.00 15.00

8Kg-DN<15 2Kg-DN<3

DN [mm/golpe]
FIGURA 5: Relacin Humedad Volumtrica-DN obtenidas con la penetracin de las masas de 2 y 8 Kg para humedades inferiores a la ptima

Humedad Volumtrica [%]

32 30 28 26 24 22 20
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
8Kg-DN>15 2Kg-DN>3

DN [mm/golpe]
FIGURA 6: Relacin Humedad Volumtrica-DN obtenidas con la penetracin de las masas de 2 y 8 Kg para humedades superiores a la ptima Los resultados experimentales muestran que cuando se utiliz la masa de 8 kg para la penetracin, se obtuvo una gran dispersin en los resultados. Esta dispersin fue muy importante en las muestras de suelo compactadas en la rama seca, en donde no se pudo observar ninguna tendencia clara en los resultados obtenidos. En este trabajo se atribuy la baja sensibilidad lograda en los resultados, a la excesiva energa de penetracin utilizada en los ensayos. Esto justifica que para una amplia gama de humedades, no se registraran variaciones importantes en el DN. Por otro lado, en similares muestras, los resultados obtenidos con la masa de 2 Kg mostraron una clara tendencia, permitiendo correlacionar el ndice de penetracin DN con la densidad seca y la humedad volumtrica del suelo compactado. Para la masa de 8 Kg. se advierte que el comportamiento vara para muestras con valores de DN mayores a 15. Este valor corresponde con el obtenido en las muestras compactadas con la humedad ptima. Similar tendencia se observ al utilizar la masa de 2 Kg, en donde el comportamiento vara a partir de DN = 3, valor que tambin coincide con el obtenido en las muestras compactadas en el ptimo del ensayo Proctor. 3.2 Efecto de la Humedad y Densidad Debido a la mayor sensibilidad que se obtiene al utilizar la masa de 2 Kg. para las penetraciones, se adopt la mencionada energa de penetracin para el estudio de la influencia de la humedad y densidad en el ndice de penetracin DN obtenido. Las Figuras 7

y 8 presentan los resultados obtenidos para el rango completo de humedades estudiadas. Observe que en la rama seca, para mayores densidades secas se obtiene mayores valores de DN, mientras que en la rama hmeda a medida que crece el DN disminuye la densidad seca. Este comportamiento se debe a que a medida que el suelo es ms denso, mayor es la resistencia del mismo a ser penetrado. Adems, en la rama hmeda, al encontrarse el suelo con mayor grado de saturacin, la succin existente o presin capilar entre los granos de suelo es menor. Debido a ello, a igual densidad, el suelo en la rama hmeda presenta una menor resistencia a ser penetrado, lo que se manifiesta en mayores valores de DN (Figura 7).

1,85

D ensidad Seca [t/m ]

1,80 1,75 1,70 1,65 1,60 1,55 0 5 10 15 20 25 30

D N [m m /golpe]
FIGURA 7: Relacin Densidad Seca-DN En la Figura 8, se presenta la variacin del DN con la humedad volumtrica del suelo. En la misma puede notarse que la humedad aumenta con el ndice de penetracin, observndose un importante aumento del DN cuando las muestras se encuentran en la rama hmeda del suelo. Este comportamiento es atribuido a dos efectos. En primer lugar, la disminucin de la succin del suelo al aumentar la saturacin del mismo, lo que disminuye la resistencia a la penetracin (Fredlund y Rahardjo, 1993). En segundo lugar, los valores de DN son una medida relativa de la resistencia del suelo. Cuando se compacta al suelo en la rama seca, se obtiene en el mismo una estructura floculada, mientras que en la rama hmeda se obtiene una estructura dispersa (Seed et. al, 1960). Suelos con igual densidad seca y con una estructura floculada tienen mayor resistencia al corte que el mismo suelo con

una estructura dispersa (Seed et. al, 1960; Francisca et. al, 1998). Esto explica el importante aumento de DN que se observa en las muestras con humedades mayores a la optima de compactacin (Figura 8) aun con similares densidades secas. Por lo tanto, la cada de resistencia del suelo puede atribuirse al efecto que produce una mayor humedad de compactacin.

Humedad Volumtrica [%]

35 30 25 20 15 10 5 0 0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

DN [mm/golpe]
FIGURA 8: Relacin Humedad Volumtrica-DN 4. DISCUSIN Los resultados experimentales fueron analizados mediante regresiones mltiples de las variables que gobiernan el problema. Se asumi al ndice de penetracin DN como variable dependiente, y a distintas funciones de la densidad y humedad como variables independientes. El mejor ajuste se obtuvo para la funcin: DN = 2.4 46.2 w + 18.0 log(d / w) 1.1 [1]

En donde w es la humedad del suelo, d la densidad seca del mismo, y es una variable dummy que adopta el valor 0 para humedades menores a la ptima, y 1 para humedades mayores a la ptima de compactacin. A partir de las reg resiones mltiples realizadas se logr determinar que la humedad es el parmetro de mayor influencia en los resultados obtenidos con el DCP. Para la ecuacin 1, el coeficiente de ajuste entre la correlacin obtenida y los resultados experimentales fue de R2 = 0.91.

Por otro lado, se desarrollo una metodologa basada en funciones de aproximacin que permite obtener la densidad seca del suelo en forma expeditiva. La Figura 9 muestra el procedimiento para obtener la densidad seca del suelo a partir del ndice de penetracin DN obtenido con el DCP. Para ello, se utilizaron funciones del log(w/ d), las cuales representan en forma adecuada los resultados segn las correlaciones mltiples realizadas. En la misma Figura 9 se presentan como comparacin los resultados experimentales obtenidos en este trabajo. En la Figura 7 se muestra mediante una lnea continua los valores de densidad seca obtenidos con el procedimiento anteriormente descripto. En todos los casos, el error relativo entre los valores medidos y calculados fue inferior al 4%. Esto indica que para un determinado suelo es posible obtener curvas de calibracin que permitan correlacionar de manera confiable los resultados del DCP con la densidad seca de un suelo compactado.
30 2,30 2,10 1,90 20 1,70 1,50 1,30 1,10 5 0,90 0,70 0 0,5
Log ( d/w)
Log ( d/w)

25

DN

15

10

0 1 1,5

FIGURA 9: Procedimiento para la obtencin de la densidad seca a partir del DN 5. CONCLUSIONES En este trabajo se presentaron resultados experimentales sobre la compactacin de un suelo A4-8, el cual fue ensayado mediante un penetrometro dinmico de cono (DCP). A partir de los resultados obtenidos se puede concluir de la siguiente manera:

Con el DCP se puede obtener importante informacin sobre la compactacin de un suelo a un bajo costo y en corto tiempo. La energa de penetracin del DCP influye en los resultados obtenidos. A mayor energa (masa) menor es la sensibilidad del DCP para determinar la densidad seca y humedad del suelo, cuando el mismo se encuentra compactado en la rama seca.

Se observa un comportamiento muy diferente cuando el suelo se encuentra compactado con humedades inferiores a la ptima, respecto del mismo suelo compactado con humedades mayores a la optima. Este diferente comportamiento fue atribuido en este trabajo a efectos de saturacin y estructura del suelo.

Con el DCP es posible determinar en forma confiable la densidad seca de un suelo compactado. Su potencial aplicacin seria aplicarlo como complemento de otro equipo tradicional, en donde se haga una calibracin previa y luego se contine con el DCP para controlar en forma rpida la homogeneidad de la zona en estudio.

Una alternativa para facilitar el control de compactacin mediante el DCP, es realizar una calibracin con este equipo para el suelo que se desea monitorear. Luego, realizar una prueba piloto de compactacin con la humedad ptima determinada en laboratorio, y realizar los controles de densidad a travs del nmero de golpes determinado con el DCP. De esta forma, conociendo la humedad de compactacin del suelo, y las curvas de calibracin DCP-densidad seca, es posible obtener resultados confiables que facilitan el control de compactacin. La principal razn, se debe a que en este caso es posible reducir considerablemente el nmero de controles mediante mtodos tradicionales, y se puede obtener una importante cantidad de puntos de control a un bajo costo.

6. REFERENCIAS Angelone, S.; Tosticarelli, J.; Martnez, F, 1994, Aplicacin del Penetrmetro Dinmico de Cono en Obras Viales y Controles de Compactacin, Centro de Transferencia de Tecnologa N3 I.P.C., Instituto de Estudios de Transporte, Laboratorio Vial I.M.A.E., F.C.E.I.y A. Universidad Nacional de Rosario. Bessone E. y Delprato F., 2000, Correlacion entre los parmetros geotcnicos y el Ensayo Penetrometro dinmico de Cono (DCP). Su Empleo en la Gestin de Inspeccin de Obra, GeoBA 2000, XV Congreso Argentino de Mecnica de Suelos e Ingeniera Geotcnica, pp. 45-56.

Direccin Nacional de Vialidad, 1998, Normas de Ensayo, Ministerio de Economa y Obras y Servicios Pblicos, Secretaria de Obras Publicas. Francisca F., Cuestas G. Y Rinaldi V., 1998, Estudio de la Permeabilidad de los Limos Loessicos Compactados, GT98, Encuentro de Geotcnicos Argentinos, pp. II.2.1 II.2-18. Fredlund D. y Rahardjo H., 1993, Soil Mechanics for Unsaturated Soils, John Wiley& Sons, Inc. Johnson Richard, A, 1997, Probabilidad y Estadstica para Ingenieros de Miller y Freund. Quinta Edicin. Editorial Prentice-Hall, Mxico. Seed H., Mitchell J. Y Chan C., 1960, The Strength of Compacted Cohesive Soils, American Society of Civil Engineers Research Conference of Cohesive Soils, ASCE, pp. 877-983. Yoder, E.J.; Mattheuw; Witczak, 1975, Principles of Pavement Design, 2 ed. Toronto.