Miguel Cano González

MECÀNICA DEL SÒL I DE LES ROQUES

Tema 9 – Assaigs geotècnics in situ

Dept. d'Enginyeria Civil - Àrea d'Enginyeria del Terreny

Introducció• Els AGIS tenen per objecte la caracterització mecànica de

les capes que componen el subsòl a través de paràmetres mesurats en el mateix medi natural.

• Hi ha molta diversitat d'assaigs diferents paràmetres

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

Pel projecte

Comportament del terreny

Control i comprovació

Caracterització del terrenyParàmetres de càlcul

Modelització

Durant la construcció

Sobre el terreny

Sobre les estructures

Durant l’explotació

In situ vs. laboratoriLaboratori• Càlculs d'estabilitat i assentaments a partir de paràmetres del terreny

obtinguts en laboratori mostres inalterades• Valor d’assentament i temps de consolidació molt diferents• Clau mostres inalterades presa, transport i manipulació (s’alteren) • Les mostres no cohesives no poden prendre's inalterades.• Assaigs de laboratori cars i lentsIn situ• Assaigs de camp sotmeten el medi natural a una sol·licitació i eviten

l'alteració de les mostres• Assaigs de camp econòmics i ràpids• Aporten moltes dades

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

Interpretació

• Mètodes indirectes:Abans els paràmetres de deformació i resistència del sòl s'obtenien a partir d'assaigs de laboratori. Ara alguns AGIS permeten obtenir els mateixos paràmetres que amb els assaigs de laboratori.

• Mètodes directes:Permeten dissenyar directament sense necessitat de determinar els paràmetres geotècnics clàssics.

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

Elecció del mètode

Depèn del tipus de problema a resoldre i del tipus de terreny a investigar.

(Vegeu la taula)

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

SPT (Standard Penetration Test) - Concepte• Penetròmetre dinàmic (M=63.5 kg, h=76.2 cm)• Es clava un mostrejador 60 cm dins del sondeig amb ajuda

d'una maça• Es compten els colps necessaris per a clavar-la • 15+15+15+15 cm• El valor de l’SPT és la suma dels colps dels dos trams centrals

de 15+15 cm• Si el terreny és molt resistent rebuig (UNE-EN ISO 22476-3:2006)

– 50 colps per a qualsevol dels trams de 15 cm– 100 colps per a qualsevol dels trams de 15 cm, si es tracta de roques

blanes• Proporciona una petita mostra de sòl que permet identificar-lo

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

SPT (Standard Penetration Test)

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

SPT (Standard Penetration Test) - Paràmetres

• S'intercala amb qualsevol sondeig• Aplicable a qualsevol tipus de sòl (fins i tot roques blanes)• Correlacionat empíricament amb un gran nombre de

propietats del sòl “Serveix Per Tot” ???• La major part de correlacions corresponen a arenes

ASSAIGS GEOTÈCNICS IN SITU

L'ASSAIG SPT: Correccions• Correccions a aplicar a la dada de camp:

– Estat del sondeig– Longitud del barnillatge (Skempton, 1985)– Diàmetre del sondeig (Skempton, 1985)

– Eficiència energètica (referir al 60%)

– Nivell freàtic:

– Pressió de confinament:5.0

'1

vNC

5.0

'1

vNC

21515

SPTNN2

1515 SPTNN

Longitud (m) NL

> 106 – 104 – 63 – 4

10.950.850.75

Diàmetre (mm)

ND

65 – 115150200

11.051.15

L'ASSAIG SPT: Índex (N1)60

• Valor final de l'assaig SPT:

SPTNDL NCx

ErNNN47660.0601 SPTNDL NC

xErNNN

47660.0601

L'ASSAIG SPT: Correlacions• Usos de l'assaig SPT – Sòls granulars:

– Densitat relativa sòls arenosos (Skempton, 1985):

– (Meyerhof, 1957):

– Angle de fricció (Meyerhoff, 1956)

• Més del 5% d'arena fina i llims:

• Menys del 5%:

60

601NDR

DR15.025 DR15.025

DR15.030 DR15.030

(N1)60 Dr Compacitat0 – 33 – 8

8 – 2525 – 4242 – 58

0 – 1515 – 3535 – 6565 – 8585 – 100

Molt soltaSolta

MitjanaDensa

Molt densa

L'ASSAIG SPT: Correlacions• Usos de l'assaig SPT – Sòls granulars:

– Deformabilitat (MPa):

6017 NE 6017 NE

NSPT

Mòd

ul e

dom

étric

o

L'ASSAIG SPT: Correlacions• Usos de l'assaig SPT – Sòls granulars:

Altres paràmetres

L'ASSAIG SPT: Correlacions• Usos de l'assaig SPT – Sòls granulars:Tensió admissible i assentaments de

fonamentacions superficials:– Terzaghi i Peck– Meyerhoff– Teng– Altres (Burland, Bowles, etc)

Pressió admissible en arenes segons assajos de campGCOC

N60 = Valor de càlcul de l'índex SPT.fB=factor de correcció per l'amplefD=factor de correcció per la profunditatfL=factor de correcció per la forma de la fonamentació

Fonamentacions superficials

Pressió admissible en arenes segons assajos de campGCOCN60 = Valor de càlcul de l'índex SPT. S'obté corregint l’SPT de camp (N<50):

Si hi ha dades de rendiment energètic:

On és el rendiment de l'equip de clavament (percentatge d'energiade percussió que es transmet al mostrejador)El valor de N60 s’ha de mitjanar per a una profunditat 1.5B* sota elplànol de suport.

Fonamentacions superficials

Pressió admissible en arenes segons assajos de campROM-05 i GCOCCal corregir per la presència de nivell freàtic o gradients:

-Si el nivell freàtic (en repòs) està pròxim o per damunt del plànol de fonamentació Expressions anteriors-Si es preveu l'existència d'un flux vertical que genere un gradient iv Pv adm = β Pv adm = 1-(ivw/’) Pv adm = 1-(ivw/(sat-w)) Pv adm (β≤1 GCOC)-Si el nivell freàtic estiguera sempre a més profunditat del plànol de fonamentacióPv adm = Pv adm = (1+0.6(h/B*)) Pv adm .On h és la profunditat del nivell freàtic sota el plànol de fonamentació i ≤ 2 ROM o ≤ 1.8 GCOC.

Fonamentacions superficials

L'ASSAIG SPT: Correlacions• Usos de l'assaig SPT – Sòls fins:

Resistència a compressió simple– Terzaghi i Peck– Gran dispersió

Deformabilitat– Correlacions locals – Molta dispersió

ALTRES ASSAIGS: PENETRACIÓ DINÀMICA

• Assaig Borros

– Consisteix en colpejar una punta de perforació quadrada o circular, de 16 cm2 de superfície, 1.5 kg de massa i angle de 60º amb massa de 63.5 kg que cau des de 50 cm d'altura

– Mesura del nre. de colps per a penetrar 20 cm en el terreny

– Correlació amb el SPT:• N = NB (NB = 8 – 12)• N = 25 log (NB) – 15.16

ALTRES ASSAIGS: PENETRACIÓ DINÀMICA

0 20 40 60 80 1005 10 15 25 30 35 45 50 55 65 70 75 85 90 95

VALORES DE N20

2000

1500

1000

500

0

1900

1800

1700

1600

1400

1300

1200

1100

900

800

700

600

400

300

200

100

PRO

FUND

IDAD

(cm

)

2 12 1719161511111011111286432342 6644 6 84 66767665565 7 1011141614151614 18131312 1819151515151719 272525 3116 26 681714 191614 2020181921 30312831 382627 4242 5541424548 55 81 95

ALTRES ASSAIGS: PENETRACIÓ DINÀMICA

Assaig DPSH (Dynamic Probing Super Heavy)

• Penetració dinàmica superpesada

• >25 m• Maça de 63.5 kg i H=0.75 m• Valors DPSH = colps per a

clavar 20 cm (N20)

MURCIA

Assaig pressiomètric• Consisteix en la posada en

càrrega lateral del terreny, gradualment, mitjançant una sonda cilíndrica dilatable.

• És un assaig de càrrega-deformació

• Components:– Unitat de control i lectures– Sonda pressiomètrica– Tubulars que uneixen els

components anteriors

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

• Assaig pressiomètric (sòls, fins a 8 MPa) i dilatomètric (roca, fins a 20 MPa)

– Es practica en sondeigs: la sonda augmenta de diàmetre, i aplica pressions radials durant temps reduïts (minuts) i deformant les parets del sondeig

– La sonda consta d'un cilindre de 70 mm i longitud entre 1.2 m i 1.5 m, amb una cambra central revestida amb una camisa elàstica, de cautxú, en la qual s'introdueix un fluid a pressió (aigua o oli)

– Es produeixen deformacions radials elastoplàstiques d'expansió en una cavitat cilíndrica en un medi indefinit

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

• Tipus de sondes– Introduïdes en un sondeig existent (PBP-Prebored

Pressurometer)– Autoperforants (SBP-Self Bored Pressurometer)– Clavades a pressió (PIP-Push In Pressurometer)

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

• Posada en càrrega– Amb gas a pressió (nitrogen o aire

comprimit) o mitjançant una bomba manual o automàtica.

• Lectures– Per canvis de volum o amb transductors

de desplaçament en la zona central de la sonda.

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

• Centrals de control i presa de dades– Mesuren volum (volúmetre) i

pressió (manòmetre) o– Mesuren pressió (transductor

de pressió) i deformació radial (transductor de desplaçament)

• Calibratge– La pressió es corregeix en

funció de la columna d'aigua– Es corregeix també per la

inèrcia de la membrana

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

• Metodologies d'assaig

– Assaigs de tensió controlada: les tensions s'apliquen escalonadament i s’hi mesuren les deformacions en el temps

– Assaigs a deformació controlada: la membrana s'expandeix a una velocitat constant.

– Assaigs combinats: s’inicia l'assaig amb tensió controlada (fase elàstica) i es finalitza amb deformació controlada (fase plàstica)

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

ALTRES ASSAIGS• Assaig pressiomètric (sòls) i dilatomètric (roca)

Sondes dilatomètriques

• Corba pressiomètrica

SBP

PBP

PIP

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

Paràmetres bàsic que s’obtenen a partir de la corba pressiomètrica:

– Mòdul pressiomètric (EM, EP)– Pressió de fluència (Pf)– Pressió límit o de ruptura (PL)

Paràmetres d’estat, residència i deformació obtinguts a partir del estudi de l’expansió de la cavitat:

– Mòdul de tallant (G)– Resistència al tall o drenada en argiles (CU)– Angle de fricció intern en arenes (Φ’)– Angle de dilatància en arenes (Ψ)– Tensió efectiva horitzontal in situ (σh0’)– Coeficient d’empenta en repòs (K0) en el cas de

pressiòmetre SBP.

L'ASSAIG PRESSIOMÈTRIC

L'ASSAIG CPT: Fonament• És un penetròmetre estàtic• Mesura l’esforç necessari per a clavar un con a velocitat

constant en el sòl (aprox. 2cm/s). Mesura:– Fregament lateral (fs)– Resistència a la penetració (qc)– u (opcional)

• Aplicacions:– Perfil estratigràfic diferencia capes ≠– Avaluar paràmetres geotècnics– Calcular capacitat de carrega i assentaments

• Aplicabilitat:– Idoni en arenes i fins– Inútil en graves i gruixos– Mesura la pressió intersticial en el medi:

• Drenat en arenes• No drenat en fins

35.7 mm

150 cm2

10 cm2

Lectorpressióintersticial 60º

L'ASSAIG CPT: FonamentEquips• Punta o sonda CPT/CPTU

– Mecàniques con holandès– Elèctriques mesuren qc i fs per mitjà de captors de pressió

• Si s’hi afig un captor per a mesurar u CPTU

• Barnillatge• Equip de presa de dades

– Permeten adquisició de dades en temps real– Prenen lectures cada 5, 2 o 1 cm.

• Sistema d'empenta

L'ASSAIG CPT: ExecucióExecució1. Realitzar un sondeig fins el NF CPTU2. Anivellar l’equip d’empenta3. Saturar filtre i punta (CPTU)4. Verificar connexions5. Introduir punta i barnillatge en el sondeig evitant

ventilació (CPTU)6. Deixar igualar la temperatura del sòl i de la punta7. Verificar els zeros8. Penetrar a velocitat constant (2 cm/s)9. Registrar qc, fs (i u -CPTU-)10. En retirar barnillatge, comprovar el zero.

L'ASSAIG CPT: ExecucióExecució – Assaig de dissipació

• El clavament genera un Δu.• L'assaig de dissipació pot

realitzar-se en qualsevol moment del clavament i consisteix a detenir l'avanç del con i mesurar l'evolució de u en el temps.

• El valor de u d'equilibri és la u0existent.

• La dissipació de l'excés de udepèn de Ch (coeficient de consolidació horitzontal), que alhora és funció de la permeabilitat horitzontal i de la comprensibilitat.

u0≈0.12 MPa

L'ASSAIG CPT: ExecucióExecució – Valors corregits de l'assaig

• u actua sobre els extrems del maniguet i la superfície de la punta. Hem de corregir els valors de qs ( qT) i fs (fT) mesurats:

fs = fT

Normalment els cons tenen àrees iguals:

L'ASSAIG CPT: ResultatsRepresentació de resultats

• Per a representar els resultats és necessari conèixer:

– u0– ’0v

• Es representen els valors:

– (Ràtio de fricció (Friction ratio), FR% = fs/qc– Bq = u/(qc- σ’0v)– u = u – u0

L'ASSAIG CPT: ResultatsRepresentació de resultats

Significat

• qc resistència del sòl• fs pressió lateral tipus de sòl i OCR• FR% marca transicions entre materials• u representativa del nivell OCR

L'ASSAIG CPT: ResultatsRepresentació de resultats - Significat• qc

– Major granulometria gruixuda major qc– Major ’0 major qc– Major compactació o densitat major qc– Major OCR major qc

• fs– Major granulometria gruixuda menor fs– Major sensitivitat menor fs– Major OCR major fs

• u– Granulometria + fina major u (i viceversa)– Granulometria + fina major u temps per a dissipació– A major su major u– A major OCR menor u i menor diferència u1-u2– A major sensitivitat major u

L'ASSAIG CPT: Resultats

L'ASSAIG CPT: Resultats

L'ASSAIG CPT: Correlació• Classificació dels sòls (Olsen, 2001)

n

v

vc PaPa

qQ

'

Pa = 100 kPan = 0.5 arenan = 1 argila

1. Fins sensitius2. Sòls orgànics3. Argiles, argiles llimoses4. Barreges de llims (argiles

llimoses a llims argilencs.)5. Barreges d'arena (SM, ML)6. Arenes netes a arenes llimoses7. Arenes amb graves a arenes

denses8. Arenes molt rígides9. Sòls fins molt rígids

(sobreconsolidats)

L'ASSAIG CPT: Correlació• Classificació dels sòls (Robertson, 1990)

L'ASSAIG CPT: Correlació• Exemple: delta del Llobregat

ASSAIG DE PLACA DE CÀRREGA• Assaig de placa de càrrega:

– Mesura la deformabilitat del terreny in situ– Placa llisa i rígida (30 x 30 o 100 x 100 cm)– Es manté la càrrega en cada escaló fins que l'increment

d’assentament és inferior a 0.01 mm amb lectures cada 5 min.

– Escaló màxim: 3 vegades la càrrega de l’estructura projectada

– Càrrega amb gats hidràulics– Necessita un element de reacció (llast)– Aplicació principal a sòls granulars i fonamentacions

superficials

ASSAIG DE PLACA DE CÀRREGA• Assaig de placa de càrrega:

ASSAIG DE PLACA DE CÀRREGA• Assaig de placa de

càrrega:

• Assaig de placa de càrrega:

ASSAIG DE PLACA DE CÀRREGA

ASSAIG DE PLACA DE CÀRREGA• Assaig de placa de càrrega:• Paràmetres

– Mòdul de Young:

– Coeficient de balast:

rSPE S

5.1

PS = Pressió aplicadaS = Assentament observatr = Radi de la placa

Ks=P/S

P = Pressió aplicadaS = Assentament observat

ASSAIGS DE PERMEABILITAT• Assaig de permeabilitat – Lefranc

– Aplicable a sòls permeables i semipermeables, granulars, per davall del nivell freàtic i en roques molt fracturades

– Consisteix a emplenar d'aigua el sondeig i mesurar el cabal necessari per a mantenir-lo constant (règim permanent) o mesurar la velocitat de descens (règim variable)

– La lectura del cabal s’ha de fer cada 5 min durant 45 min.

ASSAIGS DE PERMEABILITAT• Assaig de permeabilitat -

Lefranc

K=Q/(CΔh)

Q = Cabal admès (m3/s)Δh = Altura de l'aigua sobre el nivell freàtic inicialC = coeficient de forma del sondeig

C=4/[(2/L)log(L/r)-(1/(2H))

NFΔh

H

2r

=

=

L

Q

ASSAIGS DE PERMEABILITAT• Assaig de permeabilitat – Lugeon

– Aplicable a massissos rocosos– Consisteix a mesurar el cabal d'aportació per a diferents

graons de pressió d'injecció de l'aigua.– La pressió s'aplica en escalons de càrrega i descàrrega

successius: 0, 1, 2, 5 i 10 kp/cm2.– La pressió de cada escaló es manté durant 10 min.– La unitat de mesura és el Lugeon, que és l'absorció d’un

litre d’aigua per metre de sondeig i per minut, realitzant l’assaig a 10 atmosferes durant 10 minuts.

– Les corbes cabal - pressió varien segons el tipus de massís rocós

ASSAIGS DE PERMEABILITAT

K=Q/(B-2H)

ASSAIGS DE PERMEABILITAT• Assaig de

permeabilitat –LugeonResultats

ASSAIGS DE PERMEABILITAT• Assaig de

permeabilitat –LugeonResultats