El Dilatómetro Sísmico SDMT para ensayos de suelos in situ
Este artículo describe el equipo de ensayo del dilatómetro plano DMT e importantes aplicaciones en Ingeniería Geotécnica.
09/07/2015
Fuente: Obras y Proyectos - Revista de Ingenieria Civil - Universidad Católica de la Santísima Concepción.
Autores: Silvano Marchetti, Diego Marchetti y Felipe Villalobos
EL DILATOMETRO SISMICO SDMT PARA ENSAYOS DE SUELOS IN SITU
Este artículo describe el equipo de ensayo del dilatómetro plano DMT e importantes aplicaciones en Ingeniería Geotécnica. El ensayo DMT es cada vez más usado alrededor del mundo debido a que el equipo y método de ensayo son confiables, adaptables y robustos. Comparado con ensayos convencionales, el DMT ha probado ser de más bajo costo, menor tiempo de ejecución y mejor repetibilidad. El SDMT es un DMT con sensores sísmicos incorporados para medir la velocidad de ondas de corte Vs. Tanto el DMT como el SDMT pueden resultar particularmente útiles en proyectos donde la rigidez del suelo y las predicciones de asentamientos resultan críticas para un diseño adecuado. Además se discuten aplicaciones para detectar superficies de deslizamientos en taludes de arcilla, determinar curvas P-y de pilotes cargados lateralmente, controlar el mejoramiento de suelos y compactación, evaluar el potencial de licuación y determinar el módulo de Young secante para modelaciones numéricas.
Introducción
La exploración del subsuelo sigue estando dominada por el uso del equipo SPT de ensayo y en menor medida por el equipo CPT. Sin embargo, el amplio uso del SPT no implica necesariamente que sea un ensayo adecuado. Muy por el contrario, Robertson (2012) incita a los Ingenieros Geotécnicos a abandonar el ensayo SPT porque es primitivo y no confiable. Mayne et al. (2009) sostienen que con un valor sin unidad ingenieril N (golpes/pie), se pierde el sentido real y físico cuando N es usado para correlacionar un gran espectro de parámetros geotécnicos de resistencia y rigidez del suelo. Esto puede resultar en grandes errores especialmente para valores bajos y altos de N. Por otro lado, Robertson (2012) afirma que de hecho el ensayo SPT, es muy caro considerando la baja calidad y baja cantidad de información directa que entrega por metro lineal. Si se toman en cuenta las variadas y mejores alternativas de equipos y técnicas de ensayo in situ que existen hoy en día, resulta conveniente conocer estas nuevas tecnologías. Una de estas alternativas es el equipo de ensayo dilatométrico DMT.
El Dilatómetro Plano DMT es un equipo para ensayos in situ desarrollado hace aproximadamente cuatro décadas (Marchetti, 1975, 1980). Su uso ha ido en aumento constante con el correr de los años y se emplea en prácticamente todos los países industrializados. El ensayo está estandarizado por la norma ASTM D6635 (2001, 2007) y el Eurocode 7 (1997, 2007).
Figura 1: Dilatómetro plano: a) partes del equipo, b) vista frontal
mostrando membrana circular y vista lateral de la paleta del
dilatómetro y c) diagrama del ensayo con el dilatómetro
Algunas de las características distintivas del DMT son:
• El DMT es un ensayo de penetración y como tal, tiene la gran ventaja de no requerir de un sondaje previo.
• El DMT, siendo un ensayo de carga lateral, proporciona información sobre la rigidez del suelo, información que no se puede obtener a partir de otros ensayos de penetración, los cuales esencialmente miden las características de "ruptura" del suelo, con lo cual se obtiene únicamente información sobre la resistencia en falla del suelo. Por otro lado, las distorsiones causadas por la sonda del DMT son apreciablemente menores que la alteración ocasionada por puntas cónicas (Baligh y Scott, 1975), ver figura 2.
Figura 2: Distorsiones en un suelo cohesivo causada por la
penetración de una sonda de forma cónica y una con forma de
cuna (Baligh y Scott, 1975).
• El equipo DMT es portátil, fácil de usar y excepcionalmente independiente del operador y repetible.
• El DMT proporciona un índice de la historia de tensiones. La historia de tensiones como tal no se utiliza en el diseño; sin embargo, su conocimiento es de sumo interés porque tiene una influencia dominante en el comportamiento del suelo.
En el DMT se han incorporado sensores sísmicos denominándose SDMT. Esto permite la medición de la velocidad de ondas de corte VS , además de la medición de los parámetros estáticos. Es importante hacer notar que VS se mide actualmente cada vez más por la necesidad de realizar análisis de respuesta sísmica de los suelos de fundación, para los cuales VS es un parámetro básico de entrada. En varios reglamentos sísmicos(Eurocode 8, 2004; BSSC, 2004; NCh 433 DS 61, 2011) se recomienda la determinación de VS en al menos los primeros 30 m de profundidad para proyectos de construcción ubicados en zonas sísmicas. El SDMT permite determinar la rigidez máxima G0 bajo deformaciones pequeñas dado que de la elasticidad se tiene que el módulo de corte máximo es igual a G0 = ρVS2, donde ρ es la densidad del medio por donde se propagan las ondas de corte. Por otro lado, la rigidez para deformaciones en condiciones de servicio puede ser representada por el módulo edométrico MDMT. Estos dos valores de rigidez pueden servir de orientación al seleccionar las curvas de degradación G-γ, es decir, la disminución del módulo de corte G en función de la deformación de corte γ. Amoroso et al. (2012a,b) presentan esta metodología y definen rangos para los cuales es posible intersectar los datos medidos de G0 y MDMT en las curvas de degradación previamente disponibles (Figura 3).
Figura 3: Ejemplos de curvas de degradación de rigidez y rangos
de deformación de corte para arenas, limos y arcillas y arcillas
blandas (Amoroso et al., 2012a)
Ensayos con el dilatómetro DMT
El dilatómetro plano está formado por una paleta de acero que contiene una delgada membrana circular expandible de acero montada en una de sus caras. Estando en reposo, la membrana queda al ras con la superficie plana de la paleta que la rodea. La paleta está conectada mediante una manguera electroneumática que corre a lo largo de las barras de hincado, a una caja de control en la superficie.
La unidad de control está equipada con manómetros, una señal audiovisual, una válvula de regulación de la presión del gas (proporcionado por un tanque) y válvulas de escape. La paleta se puede introducir en el terreno usando equipos de sondaje convencionales, ya sea por penetración estática como en el ensayo de penetración de cono CPT o por penetración dinámica/percusión con equipos de perforación usados en ensayos SPT convencional. El ensayo se inicia introduciendo la paleta del dilatómetro verticalmente en el terreno. Cuando la paleta ha alcanzado la profundidad deseada se suspende la penetración. El suelo presiona la membrana contra la paleta, lo cual emite una señal acústica en la superficie. Entonces, el operador infla la membrana y toma, en un lapso de 30 s dos lecturas: la presión A, necesaria para justamente empezar a desplazar la membrana (presión de 'despegue') y la presión B, requerida para empujar el centro de la membrana una distancia de 1.1 mm contra el suelo. Se puede también tomar opcionalmente una tercera lectura C (presión de cierre) al desinflar lentamente la membrana justamente después de alcanzar la presión B y regresar la paleta a su posición original. Se continúa hincando la paleta hasta alcanzar la siguiente profundidad de ensayo, en incrementos típicos de avance cada 20 cm.
Las lecturas de presión A y B obtenidas en el ensayo se deben corregir para tomar en cuenta el efecto de la rigidez de la membrana, la cual puede ser importante especialmente en suelos sueltos y blandos. Estos aspectos de corrección pueden ser consultados en TC16 (2001). En primer lugar las lecturas de terreno corregidas se convierten en los parámetros intermedios del DMT conocidos como índice del material ID, índice de tensión horizontal KD y módulo del dilatómetro ED. Luego ID, KD y ED se convierten mediante correlaciones de uso común, en: módulo edométrico M, resistencia al corte no drenada su, coeficiente de empuje en reposoK0 (arcillas), OCR (arcillas), ángulo de fricción interna f' (arenas) y peso unitario g. Se pueden estimar los coeficientes de consolidación Ch y de permeabilidad kh mediante la realización de ensayos de disipación (Totaniet al., 1998).
Ejemplos de perfiles obtenidos con el DMT se muestran en la Figura 4. El índice del material ID proporciona información sobre el tipo de suelo (arena, limo, arcilla).
Figura 4: Ejemplos de resultados de dos sondajes próximos en
Fiumicino, Italia, mostrando la variación con la profundidad de
a) b) M, c) d) KD y e) Vs
Ensayos con el dilatómetro sísmico SDMT
Después de haber sido introducido por primera vez por Hepton (1988), el SDMT fue mejorado en Italia (Marchetti et al., 2008; Monaco et al., 2009). El SDMT incluye en el dilatómetro plano sensores sísmicos para la medición de la velocidad de ondas de corte. La Figura 5a muestra un elemento cilíndrico ensamblado a la paleta DMT, el cual está equipado con dos receptores localizados a 0.5 m de distancia. Cuando se genera una onda de corte en la superficie, llega primero al receptor superior (azul) y luego, transcurrido un retraso, al receptor inferior (rojo). La velocidad Vs se obtiene como la relación de diferencia de distancias entre la fuente y los dos receptores (S2 -S1) y el retraso At entre el primer receptor y el segundo (Figura 5b). Los sismogramas generados por los dos receptores, una vez amplificados y digitalizados en función de la profundidad, se transmiten a un computador en la superficie, que determina el retraso Dt (Figura 5c). Utilizar dos receptores evita la posible imprecisión en la determinación del "tiempo cero" al momento del impacto del martillo que a veces se observa en la configuración con un sólo receptor dentro del pseudointervalo. Por otro lado, el par de sismogramas registrado por los dos receptores para una cierta profundidad de prueba corresponde al mismo impacto del martillo y no a diferentes golpes en serie, no necesariamente idénticos. De ahí que la repetibilidad de las mediciones de Vs mejora considerablemente, siendo la repetibilidad observada de Vs * 1%, es decir, unos cuantos m/s (Totani et al., 2009). Las mediciones de Vs se toman cada 0.5 m de profundidad.
Figura 5: Dilatómetro sísmico, a) unidad de control, computador
y paleta del DMT con sensores sísmicos acoplados, b) esquema
del ensayo sísmico con el dilatómetro y c) ejemplo de registros
de señales en tres profundidades en Fucino, Italia
La fuente de ondas de corte en la superficie es un martillo de péndulo (* 10 kg) que golpea horizontalmente a una base en forma de paralelepípedo empujada verticalmente contra el suelo (por ejemplo con el peso de un camión) y orientada con su eje mayor paralelo al eje de los receptores de tal forma que puedan ofrecer la sensibilidad más alta a la onda de corte.
Tipos de suelos a ensayar
Los suelos que se pueden investigar mediante el equipo DMT varían entre suelos extremadamente blandos, suelos duros y rocas blandas. El DMT resulta adecuado para arenas, limos y arcillas, cuyas partículas son pequeñas comparadas con el diámetro de la membrana (60 mm). No se recomienda para grava y roca. Sin embargo, la paleta es lo suficientemente robusta para atravesar capas de grava con un espesor del orden de 0.5 m. Las lecturas del DMT son muy precisas incluso en suelos de consistencia prácticamente líquida. Por otro lado, la paleta es muy robusta, puede soportar con seguridad fuerzas de empuje de hasta 250 kN e incluso puede penetrar roca blanda. Las arcillas se pueden ensayar entre valores de sU de 2 a 4 kPa hasta valores de 1000 kPa (margas). El intervalo de variación del módulo M medible oscila entre 0.4 MPa y 400 MPa (TC16, 2001).
Aplicaciones a problemas de ingeniería
Asentamiento de fundaciones superficiaïes
La estimación de asentamientos de fundaciones superficiales ha sido una de las aplicaciones más útiles del DMT (Schnaid, 2009), sobre todo en arenas en las que no se pueden recuperar muestras inalteradas. El asentamiento se calcula generalmente mediante la fórmula unidimensional,determinando la variación del incremento de carga Δσ con σ v el incremento de profundidad Δz de acuerdo con la formulación de Boussinesq que asume al suelo como un semi-espacio elástico e infinito, donde el cálculo se discretiza para las n mediciones de MDMT.
Desplazamiento de pilotes cargados lateralmente
Los resultados de sondajes con DMT permiten trazar las curvas P-y , donde P es la carga horizontal sobre el pilote e y es el desplazamiento horizontal del pilote. Robertson et al. (1987) proponen un método de cálculo para arcillas y arenas que se basa en los parámetros ED, f' y K0 que se pueden determinar mediante el DMT y una expresión adimensional parábolica entre la carga y la deflexión horizontal. Marchetti et al. (1991) proponen otro método de cálculo para arcillas que se basa en un cálculo directo mediante una expresión adimensional hiperbólica. Los dos métodos generan predicciones de desplazamiento horizontal semejantes y son muy sensibles a la rigidez adoptada. Tomar en cuenta que estos métodos se aplican al caso de carga monotónica aplicada por primera vez.
Superficies de deslizamiento en arcillas OC
Totani et al. (1997) desarrolló un método rápido para detectar superficies de deslizamiento activas o antiguas en taludes de arcilla preconsolidada OC, tomando como base la inspección de los perfiles del indicador KD. Básicamente, el método consiste en identificar zonas de arcilla normalmente consolidada NC en un talud que, de otra manera, exhibe un perfil OC. Los estratos de arcilla NC, remoldeados por deslizamientos anteriores y luego reconsolidados bajo el peso del suelo sobreyacente, se pueden identificar aplicando un valor KD * 2 como identificador de las zonas NC.
Control de mejoramiento de suelos
Para controlar el mejoramiento de suelos se pueden realizar sondajes con el DMT antes, durante y después del mejoramiento. Schmertmann et al. (1986) indican que el aumento porcentual en MDMT es de aproximadamente el doble del incremento de la resistencia de punta del cono qt, en el ensayo CPT. En otras palabras, el MDMT es más sensible y aumenta con mayor rapidez a los cambios de rigidez del suelo que qt. El método DMT es por lo tanto adecuado para detectar variaciones pequeñas en el esfuerzo horizontal, por ejemplo, en el suelo sometido a relajación de tensiones detrás de muros pantalla durante la excavación (Monaco y Marchetti, 2004).
Control de compactación
El ensayo DMT puede también ser usado como una útil herramienta para el control de la compactación de la subrasante sobre la que se apoyarán subbases, bases y el pavimento de una carretera (Marchetti, 1994). El perfil de aceptación MDMT se puede establecer al ejecutar unos cuantos ensayos preliminares DMT sobre la subrasante aceptada, tomando como base los métodos originalmente especificados, tales como Proctor, razón de soporte de California CBR o ensayos de placa de carga. Luego, trazar un perfil MDMT promedio. El perfil de diseño MDMT podrá entonces usarse como un método económico para el control rutinario de calidad de la compactación.
Una tendencia en el diseño actual de pavimentos es usar los módulos en lugar del CBR o la densidad seca máxima compactada DSMC del Proctor. Por lo tanto, los perfiles de MDMT podrán proporcionar información alternativa y útil al diseñador. El uso de métodos de medición de rigidez, alternativos al Proctor y CBR, adquieren relevancia en casos en que simplemente no se pueda obtener la humedad óptima del ensayo Proctor en el terreno, por ejemplo, en lugares desérticos o muy húmedos a saturados.
Uso del DMT para modelación con MEF
La forma más simple estriba en adoptar el modelo elástico lineal, en el cual el módulo de Young E se calcula con la aproximación E ≈ 0.8 MDMT (Hamza y Richards, 1995).
La buena capacidad de predicción de asentamientos a partir de los resultados del DMT se puede usar para verificar resultados usando programas computacionales con el Método de Elementos Finitos MEF. Una forma de obtener esa verificación consiste en ejecutar un ensayo DMT y así obtener un perfil de MDMT para predecir el asentamiento para un caso simple de carga, por ejemplo, bajo un estanque circular uniformemente cargado que transmite una carga de 100 kPa. Luego, realizar la misma predicción mediante el programa de cálculo MEF. Si los dos asentamientos calculados son muy diferentes, tal vez haga falta ajustar los parámetros MEF. La idea es usar el ensayo DMT en sustitución de una prueba de carga in situ.
Al ocupar el modelo no lineal HS (suelo duro) en Plaxis, el dato de entrada básico recomendado es el módulo de Young secante Eref50, el cual es calculado a partir de ensayos triaxiales normalizados (referenciados) a 100 kPa para el 50% de Ia tension desviadora máxima. Schanz y Vermeer (1997) han demostrado que Eref50 se correlaciona con M y que, para muchas arenas cuarzosas, el valor de Eref50 se encuentra dentro del intervalo de variación de 15 a 75 MPa. Este intervalo es sorprendentemente similar al intervalo encontrado para el módulo MDMT en varias arenas. Por 10 tanto, existe Ia alternativa de determinar MDMT en ensayos DMT como valores de Eref50 a usar en Plaxis, dada la proximidad que existe entre ellos. Monaco y Marchetti (2004) presentan aplicaciones numéricas usando Plaxis y Eref50 en el estudio de muros pantalla con varios niveles de arriostramiento.
Conclusiones
El Dilatómetro de Marchetti DMT es un equipo de exploración de suelos versátil y de gran apoyo para el Ingeniero Geotécnico en la obtención de valores de parámetros de diseño adecuados. Representa una alternativa más rápida y económica a los ensayos de laboratorio y a varios de los ensayos in situ actualmente en uso. Entre sus ventajas principales destacan la portabilidad, la sencillez de su operación, la variedad de maneras de penetrar la paleta así como de los tipos de suelos posibles de explorar. La incorporación de sensores sísmicos en el DMT permite obtener perfiles de Vs además de su, M, OCR, K0 y f en un mismo sondaje. Las correlaciones y los procedimientos utilizados están ampliamente documentados y cuentan con el respaldo de la norma ASTM D6635 (2007) y del Eurocode 7 (2007). El uso del DMT entrega al Ingeniero Geotécnico mayores opciones de análisis, como las que han sido presentadas en este artículo.
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