UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

CENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACIONES SSMICAS Y MITIGACION DE DESASTRES

SEMINARIO TALLER DEMECANICA DE SUELOS

Y EXPLORACINGEOTECNICA

9 al 11 de setiembre de 1992

SEMINARIO TALLER DEMECANICA DE SUELOS

Y EXPLORACINGEOTECNICA

9 al 11 de setiembre de 1992

Primera Edicin realizado por:

Ing. Antonio Campos Sigenza e Ing. Oscar Vsquez Huaman

CISMID-FIC-UNI, 1992

Primer Edicin Versin digital realizado por:

Ing. Silene Minaya Gonzlez

Docente Departamento de Mecnica de Suelos-FIC-UNI, Febrero 2002

PRESENTACIN

El CENTRO PERUANO-JAPONES DE INVESTIGACIONES SSMICAS Y MITIGACION DE DESASTRES (CISMID) de la Facultad de Ingeniera Civil (FIC) de la Universidad Nacional de Ingeniera (UNI), es un centro de investigaciones y acadmico que estudia de manera multidisciplinaria en coordinacin con instituciones afines, los desastres naturales que ocurren en el Per y en los pases del Area Andina; difunde los resultados y las tcnicas desarrolladas en el CISMID y en otros pases, particularmente en el Japn, con la finalidad de mitigar sus efectos.

El CISMID fue creado por la Facultad de Ingeniera Civil de la UNI en acuerdo

tomado por su Consejo de Facultad en Sesin del 16 de junio de 1986. El Comit Directivo del CISMID, conformado por autoridades de la UNI y

miembros de la representacin Japonesa, determina la poltica a seguir y los programas anuales de actividades en el CISMID.

El Comit Ejecutivo, conformado por autoridades de la FIC y expertos de la

Misin Japonesa, fija las prioridades de los proyectos de investigacin, coordina la participacin de sus miembros en los mismos y la aplicacin de los resultados de los estudios por los sectores que queden afectados por desastres naturales. Aprueba los programas de estudio de los seminarios y cursos regulares.

Una de las actividades principales del CISMID es la difusin de los resultados de

las investigaciones del Centro y de las tcnicas desarrolladas en el Japn u otros pases, mediante publicaciones, conferencias y programas de video TV.

Con el apoyo econmico de la AGENCIA DE COOPERACIN INTERNACIONAL

DEL JAPN (JICA) se han editado e impreso 8 publicaciones y fotocopiado numerosos Informes de Investigacin, correspondientes a las actividades acadmicas mas importantes desarrolladas en el CISMID durante el ao 1992.

La presente publicacin SEMINARIO TALLER DE MECANICA DE SUELOS Y

EXPLORACIN GEOTECNICA, corresponde a los trabajos presentados en el seminario realizado en el CISMID durante los das 9, 10 y 11 de setiembre de 1992.

Expresamos nuestro agradecimiento a las Instituciones, a los Expositores y

Autoridades que han hecho posible la realizacin de dicho evento; asimismo a todos los participantes, quienes han dado realce al evento.

Expresamos un especial reconocimiento a la AGENCIA DE COOPERACIN

INTERNACIONAL DEL JAPN (JICA) por su constante apoyo a todas las actividades del CISMID.

ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR (SPT) Ing. Csar Atala Abad 1.0 ANTECEDENTES El ensayo normal de Penetracin Estndar (SPT) naci en los Estados Unidos de Norteamrica en la dcada de 1920, con la finalidad de estimar el grado de densificacin de los suelos. Originalmente los penetrmetros dinmicos fueron concebidos para apreciar la compacidad de los suelos sin cohesin, ante la dificultad de obtener muestras inalteradas. En 1925, un perforista de la firma Societ Raymond - Pile, propuso a K. Terzaghi, contar el nmero de golpes necesarios para hincar en un tubo tomamuestras que tena por costumbre utilizar, asumindolo como un ensayo despus de haber acumulado gran nmero de resultados. Ref. (1). Asimismo se report los trabajos de Mohr H.A. (1927), quien utiliz el tomamuestras como un penetrmetro. Ref (2). 2.0 PROCEDIMIENTO NORMALIZADO DEL SPT El mtodo de Penetracin Estndar es el mas ampliamente usado para la exploracin de suelos, y comprende dos etapas: 2.1 El Sondeo Que consiste en hacer una perforacin con barreno, inyeccin de agua o sondeo rotatorio usando un taladro con movimiento de rotacin de alta velocidad, y circulando agua para extraer los detritos (ver Figs. No. 1, No. 2 y No. 3). En los suelos firmes el sondaje se mantiene abierto por la accin del arco del suelo; en las arcillas blandas y en las arenas situadas debajo del nivel fretico, el sondaje se mantiene abierto hincando un tubo de acero (tubo de entibado o camisa) o preferiblemente rellenando el hueco con un fluido viscoso llamado "Lodo de perforacin". Este que usualmente es una mezcla de arcilla bentontica y agua, tiene la ventaja de que soporte las paredes y el fondo de la perforacin. 2.2 El Muestreo Que se realiza con un tomamuestras partido denominado tambin "Cuchara Normal" que est formado por un tubo de acero de paredes gruesas partido longitudinalmente. El extremo inferior est unido a un anillo cortante, y el superior a una vlvula y pieza de coneccin a la barra de sondeo (ver Fig. No. 4). Una vez efectuada la limpieza correspondiente de la perforacin de sondeo, se hinca el tomamuestras 15 cm en el suelo para asegurarse que la zapata de corte se asiente en material virgen.

Luego se hinca 30 cm. en incrementos de 15 cm a golpes de un martinete que pesa 64 kilos (140 libras) y cae de una altura de 76 cm. Se anota el nmero de golpes que se necesita para hincar el tomamuestras cada uno de los 15 cm. El Registro de Penetracin o Indice de Penetracin "N" se obtiene al considerar los golpes necesarios para penetrar los ltimos 30 cm (12") de un total de 45 cm (18") de la Cuchara Muestreadora; los primeros 15 cm (6") no se consideran, dado que el suelo podra estar alterado por efectos del procedimiento utilizado durante la ejecucin del sondaje. La muestra es examinada, clasificada por el tcnico de campo encargado del sondeo, guardndose posteriormente en un depsito de vidrio o plstico, que se sella y se enva al laboratorio. Las muestras recuperadas en el penetrmetro que mantienen su forma cilndrica pueden ser usadas para pruebas de compresin sin confinamiento. La resistencia a la Penetracin es un indicador de la compacidad de los suelos no cohesivos y de la resistencia de los suelos cohesivos, pues es, en efecto un ensayo Dinmico de Esfuerzo Cortante In-Situ. Las tablas I y II reflejan la compacidad y la resistencia de acuerdo con los resultados de la prueba de Penetracin Standar. TABLA No. I COMPACIDAD RELATIVA DE LA ARENA

Nmero de

Golpes

Compacidad

Relativa

0 - 4 Muy Suelta

5 - 10 Suelta

11 - 20 Firme

21 - 30 Muy Firme

31 - 50 Densa

Ms de 50 Muy Densa

TABLA No. II RESISTENCIA DE LOS SUELOS COHESIVOS

No. de Golpes Consistencia Resistencia a la Compresin Simple qu (Kg/cm)

< 2 Muy Blanda < 0.25

2 - 4 Blanda 0.25 - 0.50

4 - 8 Media 0.50 - 1.00

8 - 15 Firme 1.00 - 2.00

15 - 30 Muy Firme 2.00 - 4.00

> 30 Dura > 4.0

3.0 RELACIONES ENTRE EL NUMERO DE GOLPES "N" DEL SPT, DENSIDAD

RELATIVA Y ANGULO DE FRICCION INTERNA ( ) 3.1 Aporte de TERZAGUI y PECK Relacionan los valores de N-DR Y N-I en forma independiente de la profundidad a la que se efecta el ensayo, y por lo tanto de la sobrecarga efectiva en el nivel considerado (ver Fig. No. 5). Cuando el ensayo se efecta en arenas finas o limosas bajo el nivel de la napa fretica, debe reducirse el nmero de golpes a travs de la siguiente relacin:

2

15NN

' Donde: N'>15 (valor medido in/situ, debajo del N.F.) N = valor corregido. 3.2 Aporte de GIBBS y HOLTS Proporciona correlaciones entre N, DR y la sobrecarga efectiva, tomando en consideracin el grado de humedad y el tamao de los granos. En la Fig. 6 se muestra la correlacin entre "N" y la Densidad Relativa de una arena fina, seca, para diferentes valores de la sobrecarga efectiva. La Fig. 7 muestra la misma correlacin para arenas gruesas, secas o hmedas. En las figuras mostradas se incluye la correlacin de TERZAGHI y PECK a modo de comparacin. Las propiedades de las arenas utilizadas por GIBBS y HOLTZ en sus investigaciones se muestran en la Fig. 8.

En todo caso, puede observarse que el hecho de utilizar la correlacin de TERZAGHI y PECK, conduce a estimar una menor densidad relativa, y por ende a subestimar la capacidad de soporte del suelo, con excepcin del caso de arenas secas o hmedas cuando "N" es aproximadamente mayor que 35 y la sobrecarga efectiva excede a 40 P.S.I. (2.8 Kg/cm). 3.3 Aporte de Peck y Bazaraa Relacionan la densidad relativa de la arena con el ndice de penetracin standard "N" y la presin de sobrecarga en el nivel donde se efecta el ensayo, por medio de las siguientes relaciones:

2120DN 2R para 1.5 kips/pie2 (0.73 kilos/cm2) En la que "N" es el valor del S.P.T. para una arena con una densidad relativa DR y bajo una presin de sobrecarga V. La figura No. 9 representa esta correlacin. 3.4 Aporte de Meyerhof En investigaciones realizadas entre 1953, 1954 y 1955 Meyerhof estableci una correlacin entre N, DR, y I, la cual es independiente de la presin de sobrecarga efectiva (ver figura No. 10). Segn el autor los valores de los ngulos son seguros para arenas limpias y uniformes, deben reducirse por lo menos 5 grados para el caso de arenas arcillosas en ausencia de ensayos de corte; para el caso de una mezcla de arenas con gravas pueden aumentarse hasta 5 grados. Posteriormente en 1975 estableci una correlacin en la cual se incluye el efecto de la presin de sobrecarga (V) en el nivel donde se efecta el ensayo, por medio de la siguiente relacin.

10D7.1N 2R ; =lib/pulg2 Existen adems otras correlaciones, que relacionan los valores de N, DR y I, tales como:

SCHULTZE & MELZER ALPAN SCHULTZE & MENZENBACH BURMISTER

4.0 FACTORES DE CORRECCION POR SOBRECARGA EN ARENAS El factor de correccin del S.P.T. (CN) est definido como la relacin entre la resistencia medida del S.P.T. para una presin vertical efectiva dada (Vv), a la resistencia medida a un esfuerzo vertical standard (Vv)Ref, normalmente de 1 T/pie 1 Kg/cm. En la prctica el valor del nmero de golpes corregido (N1), se obtiene usando la siguiente relacin: N1 = CN. N Donde N representa el nmero de golpes medidos. Los factores de correccin comnmente usados y que han sido publicados se resumen en la tabla No. III. TABLA III RESUMEN DE LOS FACTORES DE CORRECCION PUBLICADOS

Referencia Factor de Correccin CN

Unidad de VV

Teng (1962) V

N 10

50C V Psi

Bazaraa (1967)

5.1 5.025.3

4

5.1 21

4

C

VV

VV

N

!VV

dVV ksf

Peck Hansen, y Thournburn (1974) V

10N20

log 77.0C V tsf

Seed (1976) V10N log 25.11C V tsf

Seed (1979) Ver figura 1(b)

Tokimatsu y Yoshimi (1983) V

N 7.0

7.1C V Kg/cm

2

En los recientes esfuerzos para promover la estandarizacin de S.P.T. (KOVACS y SALAMONE 1982; KOVACS y COLABORADORES 1984; SEED y COLABORADORES 1984) propusieron que sera conveniente normalizar el factor de correccin por sobrecarga a fin de tener una comn interpretacin. De esta manera recomiendan que el factor de correccin de TENG (1962) sea reducido, debido a que el nivel de esfuerzo de referencia es demasiado alto (Vv)Ref = 2.9 t.s.f. Tambin recomienda que el factor de correccin de SEED (1976) Y TOKIMATSU y YOSHIMI (1983) no deben ser usados o restringir su uso para Vv mayor que 1.5 t.s.f. porque proporciona valores conservadores. El uso de cualquiera de los factores de correccin mostrado en la figura 11b, es aceptable y conducir a una normalizacin temporal y a resultados consistentes. Sin embargo, se propone un factor de correccin simple el cual es comparable con cualquiera de la figura 11b:

VN

1C V

5.0 RELACIONES ENTRE EL NUMERO DE GOLPES "N" Y LA CONSISTENCIA

DE LAS ARCILLAS Durante la ejecucin de los sondajes es posible estimar la resistencia por medio del Ensayo de Penetracin, Fig. No. 12; sin embargo, para un nmero de golpes dado la dispersin con respecto al trmino medio puede ser muy grande. Por lo tanto, es recomendable como control realizar ensayos de compresin simple en las muestras obtenidas por la cuchara normal (los valores de laboratorio sern sensiblemente menores debido a la alteracin de las muestras. Se puede estimar en forma aproximada la resistencia de la compresin simple (qu) en funcin de N, para los tipos de suelos que se indica, mediante las relaciones siguientes:

Arcilla qu = 8

N (Kg/cm) TERZAGHI

Arcilla limosa qu = 5

N (Kg/cm) TERZAGHI Y PECK

Arcilla arenosa limosa qu = 7.5

N (Kg/cm) TERZAGHI Y PECK

Loes qu = 4.5

N (Kg/cm) TERZAGHI

En todo caso sera naturalmente riesgoso e incluso peligroso, pretender deducir directamente qu de N en una regin donde no se hubiera realizado jams ensayos previos comparativos. Segn GRAUX, se puede ligar la resistencia a la compresin simple de arcillas con el valor de N por medio de la siguiente relacin:

N 0.133qu (Kg/cm) 6.0 ALGUNAS APLICACIONES DEL ENSAYO DE PENETRACION STANDARD

(S.P.T) 6.1 Determinacin de la Capacidad Portante 6.1.1 Suelos Granulares La capacidad de carga ltima (qult) de un suelo (Terzaghi y Peck) puede establecerse a partir de las siguientes relaciones:

qnet = 2NBR W + 6 (100 + N) DRW (Zapatas cuadradas) qnet = 3N BR W + 5 (100 + N) DRW (Zapatas continuas)

en la que: (qult) capacidad de carga ltima (lb/pie) B ancho de la fundacin en pies D profundidad de la fundacin (pies) RW y R'W factores de correccin por la posicin de la Napa Fretica propuesto por TENG

(Fig. No. 13). Terzaghi y Peck han correlacionado el ancho de la fundacin para que, con un valor de N dado, se obtenga una presin de contacto que produzca un asentamiento total mximo de 1", esta correlacin se muestra en la figura 14 que es vlida para arenas secas. 6.1.2 Suelos Finos El ensayo de Penetracin Standar fue ideado predominantemente para ser usado en suelos granulares, sin embargo, en trabajos de pequea envergadura, puede conseguirse una menor economa utilizando un diseo conservador basado en resultados del S.P.T. La tabla No. IV proporciona una relacin aproximada entre N, la consistencia y la capacidad de carga admisible (FS = 3) de suelos arcillosos. Al aplicar estas relaciones no se tiene un control sobre la magnitud de los asentamientos y en consecuencia deben ser efectuados por algn mtodo en particular.

TABLA No. IV RELACIONES ENTRE qadm, N, Y LA CONSISTENCIA PARA SUELOS FINOS (TERZAGHI Y PECK)

Capacidad de Carga Admisible (T/pie) Consistencia

del Suelo

N (SPT) Zapatas

Cuadradas Zapatas

Continuas

Muy blando Blando Mediano Compacto Muy compacto Duro

0 - 2 2 - 4 4 - 8 8 - 15 15 - 30 30

0,00 - 0,30 0,30 - 0,60 0,60 - 1,20 1,20 - 2,40 2,40 - 4,80 mayor que 4,80

0,00 - 0,22 0,22 - 0,45 0,45 - 0,90 0,90 - 1,80 1,80 - 3,60 mayor que 3,60

Extensin

10 cm.

POSTEADOR I 3-8

Post hole Digger

I 2-3

I 2-3

I 2-5

Fig. N1

TALADROS DE MANO Hand Augers

Mquina sobre camin Truck mounted

Cubo Caldwell I 0.30 a 1.50 m Caldwell Bucket

Tipo Warson I 0.45 a 1.50 m Watson Auger

I 4 6 3/8

De eje hueco Hollow Shaft I 4 3/4 7 1/2

TALADROS A MQUINA Machine Augers

Figura N2:

CINCEL DE CRUZ

Cross BitCINCEL RECTO

Straight BitSOSTENEDORDE BARRASRod Holder

BARRA CON UNION(ver tabla)

ALZADORLifler

AVANCE DE LA PERFORACIONAdvance of theBore hole

CincelBit

Barra dePerforarDrill Rod

Forro (ver tabla)Casing

DEPOSITO DEAGUA DE LAVADOWash Water Tank

MALACATE

Winch

EngineMotor

Bomba Pump

MangueraHose

Mango para rotacinparcial de la barraHandle for rotationof rods

AlzadorLifler

Tripode de madera ode tubosWooden or Pipe Tripode

Polea parael mecateRope pulley

Mecate de 1"1" Rope

MartilloHammer

DrivingGuide

Guia dehinca

Cabeza dehinca

Drivehead

MARTILLO

Hammer

Cuchara

Spoon

MUESTREOSampling CUCHARA

2" - 4 1/2"Spoon

Drill Rodwith coopling

Figura N3: PERFORACIN EN TIERRA Soil Boring

BALLTUBE

ROLLPINHEADOPEN SHOE

VENT

F

G

(2 at 3/8") diametre

A

A = 1.0 to 2.0 in. (25 to 50 mm)

B = 18.0 to 30.0 in. (0.457 to 0.762 m)

C = 1.375 r 0.005 in. (34.93 r 10.13 mm) D = 1.50 r 0.05 - 0.00 in. (38.1 r 1.3 0.0 mm) E = 0.10 r 0.02 in. (2.54 r 0.25 mm) F = 2.00 r 0.05 0.00 in. (50.8 r 1.3 0.0 mm) G = 16.0 to 23.0

The 1 in. (39 mm) inside diameter spilt barrel may be used with a 16 gage wall thickness split liner. The penetrating end of the drive shoe may be slightly rounded or plastic retainers may be used to retain soil samples.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

10

20

30

40

50

60

702 30 32 30 36 38 40 42

DR

N

DR (%)

FIG N5 CORRELACIONES N-DR Y N- (TERZAGHI PECK)

40 psi

100

FIG N 7 Efecto de la presin de sobrecarga para arena gruesa seca o humeda

FIG N 6 Efecto de la presin de sobre carga para arena fina seca

100

TERZ

AGUI

PECK

20

00 20

40

60

80

100

N

40 60 80

TERZ

AGUI

PECK

60

40

20

0

N

0 20

100

80

40 psi

40 60

0 psi

80

20 psi

10 psi

0 psi

DR(%)

10 psi

20 psi

DR(%)

FIG N8 Granulometria de las arenas ensayadas por GIBBS y HOLTZ

DIAMETRO DE LAS PARTICULAS

% q

ue p

asa

ARENA FINA

20

0.005

0

0.0010

40

80

60

0.1 10

LECTURASHIDROMETRO

20060100 4

MALLA N

50100 30 160

76.210

ARENA GRUESA

80

100

% r

ete

nid

o

60

40

20

G/dBA IN

33/848 11/23/4

0 20 40 60 80 100

0

20

40

60

80

100

0 psi

10 p

si

20 p

si

40 p

si

FIG. N9 CORRELACION N - DR, PECK - BAZARAA

N

28 30 32 34 36 36 38 40 42

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

DR

DR (%)

FIG. N 10 CORRELACIONES N - DR Y N

( MEYERHOF)

DR (%)

SPT CORRECTION FACTOR CN

BAZARAA (1967)

TOKIMATSU AND

YOSHIMI (1983)

(DASHED LINE)

BAZARAA (1967)

EF

FE

CT

IVE

OV

ER

BU

RD

EN

ST

RE

SS

v -

TS

F

5

4

SEED

(1976)3

2

1

BAZARAA (1967)

TENG (1962)

EF

FE

CT

IVE

OV

ER

BU

RD

EN

ST

RE

SS

v -

TS

F

5

4

Dr=60 - 80%

Dr=40 - 60%

3

2

1

SEED

(1979)

SPT CORRECTION FACTOR CN

0

0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0

0 0.5 1.0

PECK, HANSEN AND

THORNBURN (1974)

1.5 2.0 2.5

FIGURA No. 11 Comparison and Published Corrections Factors: (a) Inconsistent Correction factors; (b) Consistent Correction Factors

2

BA

0

C D

1

30

25

20

15

10

35

5

N

(kg / cm2)

E

3 4

F

D : compacta

E : muy compacta

F : dura

B : blanda

A : muy blanda

qu=BN

qu

qu

C : medianamente compacta

FIGURA No. 12 Correlacin N-qu y consistencia para arcillas

(Terzaghi y Peck)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.5

0.6

0.7

0.9

0.5

1.0

0.20 0.4 0.6 0.8 1.0

0.6

0.5

0.9

0.7

1.0

0.5

da/D db/B

Rw

R'w

D

B

B

da

db

NF

NF

h

FIG. N 14: Relacin ' qs - N para zapatos en arenas (TERZAGHI PECK)

FIGURA No. 13 Factores de correccin por posicin de la napa

6.0

qs

(Kg/

cm2)

, tal

que

m

ax =

1"

ancho de la zapata (m)

1.50

0

1

suelta

media

3.0

N=10

4.5

6

4

2

3

5

7

compacta

muy compacta

N=30

N=50