RESUMEN
En esta investigación, se busca determinar
experimentalmente la resistencia no drenada (Su) de un suelo
arcilloso blando por métodos no convencionales en la práctica de la Ingeniería en
el Perú. Se empleó el Penetrómetro de Cono que es un equipo de laboratorio
comúnmente utilizado para obtener el límite líquido de los suelos. Para
calibrar los resultados, se usó un equipo de Veleta de Laboratorio, que proporciona
la medida directa de Su.
El estudio se llevó a cabo con trece muestras
inalteradas extraídas de las localidades de Rioja y Moyobamba en la región San
Martín, Perú. Como resultado, se obtuvo una correlación empírica que permite
determinar la resistencia no drenada de estos suelos a partir del ensayo de
Penetrómetro de Cono. En la investigación se concluye que, con una calibración
adecuada, el Penetrómetro de cono es una herramienta confiable para la
determinación de la resistencia no drenada de los suelos blandos. Además, su ejecución
sencilla y de bajo costo, lo convierte en un alternativa rápida y económica.
Palabras clave: resistencia no drenada, penetrómetro de cono,
veleta de laboratorio, arcillas blandas.
ABSTRACT
In this research,
we seek to experimentally determine the undrained shear strength (Su)
of a soft clay soil by unconventional methods in the practice of Peruvian
Engineering. The fall-cone test was used, which is a laboratory equipment
commonly used to obtain the liquid limit of soils. To calibrate the results,
laboratory miniature vane test equipment was used, which provides direct
measurement of Su.
The study was conducted with thirteen undisturbed samples extracted from the
localities of Rioja and Moyobamba in the San Martín region, Peru. As a result,
an empirical correlation was obtained that allows the undrained shear strength
of these soils to be determines from the fall-cone test. The research concludes
that, with adequate calibration, the fall-cone is a reliable tool for
determining the undrained shear strength of soft soils. Furthermore, its simple
and low-cost execution makes it a quick and economical alternative.
Keywords: undrained
shear strength, fall-cone test, laboratory miniature vane, soft clays.
1.
Introducción
La resistencia no drenada es un parámetro importante
en los proyectos de ingeniería geotécnica en los que el suelo se carga
rápidamente sin permitir el drenaje del agua intersticial. Esta situación suele
ser crítica, por lo que muchos de estos proyectos requieren conocer este valor
durante la fase de planificación, dimensionamiento y evaluación de las obras
geotécnicas. Este es el caso del diseño de cimentaciones, análisis de
estabilidad a corto plazo, etc. La resistencia no drenada puede ser evaluada
mediante ensayos tanto de campo como de laboratorio.
En el laboratorio, esta propiedad se evalúa
comúnmente mediante ensayos triaxiales que requieren preparación cuidadosa de
las muestras para preservar las condiciones de campo. Sin embargo, en suelos
arcillosos blandos, esta preparación es muy difícil.
En el Perú, existen varias ciudades ubicadas sobre
suelos arcillosos, donde las obras pueden presentar problemas técnicos no
experimentados en otras zonas, debido a las características del suelo y la
falta de equipos de laboratorio adecuados para la determinación de sus principales
propiedades. Ante esta escasez de equipos apropiados, la presente investigación
propone el uso del ensayo Penetrómetro de Cono, que es un equipo común en muchos
de los laboratorios del país, para determinar la resistencia no drenada de
suelos arcillosos blandos. Para el desarrollo de la investigación se
seleccionaron suelos de la región San Martín, ubicada en la selva peruana.
El ensayo Penetrómetro de
Cono fue desarrollado por la comisión Geotécnica de Vías de Suecia entre 1914 y
1922. Originalmente, el objetivo era estimar la resistencia de suelos
arcillosos remoldeados y se convirtió en un método alternativo para determinar
el límite líquido de arcillas. Es un método sencillo comparado con otros, por
lo que forma parte de las normas británicas, canadienses, japonesa y suecas.
La determinación de la
resistencia al corte no drenado de suelos de grano fino, utilizando el ensayo
del Penetrómetro de Cono, ha sido evaluada de forma experimental a lo largo del
tiempo. En varias de estas evaluaciones, particularmente en
Hansbo
Donde: Su =
resistencia al corte no drenado, K = factor de cono, Q = peso total del cono, y
h= profundidad de penetración del cono.
K es la pendiente de la relación
lineal entre Q/h2 y Su. Es una constante
empírica que depende del ángulo (µ) y de la rugosidad (x ) del cono.
Para cumplir con el objetivo principal de la investigación, fue necesario
calibrar el Penetrómetro de Cono con el fin de obtener la resistencia no
drenada mediante una prueba alternativa. Para ello, se utilizó el equipo de Veleta
de Laboratorio, que proporciona directamente el valor de Su, y que
ha sido usado ampliamente en otros estudios, como
2.
Materiales y métodos
Para la ejecución del
estudio se seleccionaron lugares de la región San Martin (Rioja y Moyobamba),
conocidos por la presencia de suelos arcillosos blandos. Para la recolección de
muestras, se realizaron excavaciones a cielo abierto o calicatas de 1.0 m, en
promedio, de profundidad. De estas, mediante el uso de tubos de acero de pared
delgada, se extrajeron muestras en estado inalterado (figura 1). La
investigación se limitó a 13 muestras porque varias de las muestras
recolectadas presentaban una consistencia mayor a la capacidad de trabajo de la
veleta de laboratorio.
Figura 1.
(a) Vista de una de las calicatas donde se extrajo
la muestra de suelo, (b) Tubo de pared delgada, utilizado para la obtención de
muestras inalteradas
Cada uno de los tubos con
muestras de suelo, se cortó transversalmente para la obtención de especímenes
con una altura de 7 cm de altura y un diámetro de 8.5 cm, como se muestra en la
figura 2. Se realizaron un total de dos cortes por tubo, tomando especial
cuidado para que la sierra no penetrara en el suelo. El tubo se giró en cada
paso hasta cortar toda la circunferencia. El personal de Maestranza de la
Universidad Ricardo Palma brindó apoyo para esta actividad. Luego, se utilizó
un hilo de nylon para cortar el suelo, separar los segmentos y alisar la
superficie de la muestra.
Figura 2.
(a) Corte de tubos de pared delgada (b) Vista de cuerpo de prueba, preparado para el ensayo(a) (b)
Para determinar la
resistencia no drenada utilizando el ensayo del Penetrómetro de Cono, fue
necesario realizar una calibración previa, y se obtuvo simultáneamente la
resistencia no drenada mediante el ensayo de Veleta de Laboratorio.
El ensayo de Veleta de Laboratorio
se llevó acabo de acuerdo con la norma ASTM D4648-16 “Standard Test Methods for
Laboratory Miniature Vane Shear Test for Saturated Fine-Grained Clayey Soil”, y
las recomendaciones de
En el ensayo Penetrómetro de
Cono, el procedimiento comenzó colocando el cuerpo de prueba debajo del cono y asegurándose
de que este hiciera un contacto muy ligero con la superficie del suelo, mientras
que el vástago tocaba el dial. Luego, se dejó caer el cono y se registró la
profundidad de penetración (h) después de 5 segundos. Se realizaron cuatro
lecturas equidistantes desde el centro y se repitió el mismo procedimiento en
la cara opuesta del cuerpo de prueba. En la figura 3, se observa el equipo
Penetrómetro de Cono y los pasos principales realizados durante el ensayo.
Figura 3.
(a) Equipo Penetrómetro de Cono, (b) Se muestra la posición del cono antes del ensayo (c) El ensayo se llevó a cabo en cuatro puntos equidistantes
Para el ensayo con la Veleta
de Laboratorio, se seleccionó uno de los cuatro resortes que vienen con el equipo,
cuyas rigideces son diferentes. Después de instalar el resorte, se ajustó la
lectura a 0° para la medición interior y exterior. La veleta se introdujo
gradualmente en el centro del cuerpo de prueba, y se aseguró su estabilidad
para evitar cualquier giro durante la inserción. La profundidad de inserción fue
de 2 veces la altura de la veleta.
El ensayo se comenzó
registrando el tiempo y girando la manivela en sentido horario a una velocidad
constante de 60°/min hasta alcanzar los 90°/min y se observó el momento en el
que el puntero dejó de girar. El procedimiento se repitió en la otra cara del
cuerpo de prueba. En la figura 4, se presenta el equipo de Veleta de
Laboratorio y los pasos principales durante el ensayo.
Para calcular la resistencia
no drenada (Su), se usaron tablas de calibración donde las lecturas registradas
se multiplican por la rigidez del resorte empleado y la constante K específica de
acuerdo con las dimensiones de la veleta.
Figura 4.
(a)
Equipo Veleta de Laboratorio, (b) Posición de la veleta antes de ensayo (c) El
ensayo se realizó en el centro del cuerpo de prueba
Con el fin de evitar posibles
influencias, todos los ensayos fueron ejecutados con los mismos equipos y un
único operador. Con los datos recopilados, se realizaron análisis estadísticos
para determinar el factor K promedio, que correlaciona los resultados de
profundidad de penetración (h) obtenidos con el penetrómetro de cono y la
resistencia no drenada (Su) del equipo de Veleta de Laboratorio. Durante este
análisis, se consideraron las medidas de variabilidad de los datos, lo que
permitió una evaluación exhaustiva de la consistencia y confiabilidad de los
resultados.
La tabla 1 resume los resultados de los ensayos de granulometría, límite
líquido, límite plástico, límite de contracción, y gravedad específica. Las
muestras seleccionadas fueron clasificadas según el Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos (SUCS). La determinación del límite líquido se llevó a
cabo siguiendo la norma ASTM, que utiliza la copa de Casagrande.
Tabla I:
Resumen de resultados de los ensayos de
caracterización
* LL=límite líquido, LP=límite
plástico, LC=límite de contracción, IP=Índice de plasticidad, Gs=gravedad
específica. El valor indicado entre paréntesis fue obtenido con muestra secada
al horno previamente
Los resultados obtenidos con los límites líquido y plástico son mostrados
en la carta de plasticidad en la figura 5, en la que se observa que todas las
muestras se encuentran por encima de la línea A, por lo que la mayoría fue de
alta plasticidad.
Figura 5.
Carta de Plasticidad
Los ensayos de Veleta y de Penetrómetro de Cono se llevaron a cabo en las
caras superior e inferior de las trece muestras inalteradas, excepto en el caso
de la muestra M-4, en la que solo se registró los resultados de la cara
inferior del cuerpo de prueba. Esto se debió a que el ensayo en la cara
superior no cumplió con el tiempo de ruptura especificado en la norma ASTM
D4648-16 (entre 2 a 3 minutos).
Después de la realización de los ensayos, se determinó la humedad de la
sección ensayada. Un resumen de los resultados es mostrado en la tabla 2.
Tabla 2.
Resultados obtenidos en los ensayos de
Penetrómetro de Cono y Veleta de Laboratorio
* h=profundidad de penetración
del cono, Q=peso total del cono, Su=resistencia no drenada, Sur=
resistencia no drenada residual, w=humedad
La resistencia no drenada obtenida de la veleta de laboratorio fue
calculada mediante la Ec (1).
4.
Discusión de resultados
Los resultados de los ensayos fueron comparados y se muestran en la figura
6. En este gráfico, se presenta la relación entre la profundidad de penetración
del Penetrómetro de Cono y la resistencia no drenada medida con la Veleta de Laboratorio.
La línea de tendencia que mejor se ajustó a los datos fue una función potencial,
con un coeficiente de determinación (R2) de 0.97, lo que indica una alta
correlación entre los resultados obtenidos. En el gráfico, se observa que, a mayor
profundidad de penetración, los valores de resistencia no drenada disminuyen.
Figura 6.
Relación ente la resistencia no drenada medida con la Veleta del Laboratorio y la profundidad de penetración del Cono
Según la ecuación lineal de Hansbo (Ec.1), se determina una relación
lineal entre la inversa de la penetración del cono (1/h2) y la
resistencia al corte no drenada (Su) medida
en la veleta en miniatura de laboratorio. La figura 7 presenta la calibración
del Penetrómetro de Cono, la pendiente representa el factor de cono, K, cuyo
valor es 0.518. Se debe considerar que el peso del cono es igual a Q=mg, donde
m es igual a 0.08 kg (80g), e incluye la masa del cono y el vástago, y g es
9.81 m/s2. Se observa una concordancia significativa entre los
resultados experimentales y la expresión de Hansbo
Figura 7.
Correlación entre la resistencia no drenada y
la penetración del cono obtenida en la presente investigación, donde el fator
de cono es K=0.518
Figura 8.
Comparación de resistencia no drenada obtenida
con Veleta de Laboratorio y Penetrómetro de Cono obtenida por la ecuación 1
El valor de K obtenido fue comparado con los valores encontrados por
otros autores. Según la tabla 3, se observa que el valor obtenido es muy
cercano al de O’Kelly
Tabla 3.
Factores de cono K obtenidos en diferentes estudios, comparados con el obtenido en la presente investigación
5.
Conclusiones
- La
investigación presenta una metodología sencilla para estimar la resistencia al corte no drenada utilizando el Ensayo Penetrómetro de Cono,
un equipo accesible en los laboratorios del Perú. La metodología se basa en la
relación entre la resistencia al corte no drenada (Su)
y la profundidad de penetración del cono, como propuso Hansbo en 1957.
- Es
necesario destacar la importancia de una calibración previa y adecuada para
determinar el factor de cono (K), ya que este parámetro depende mucho de la
rugosidad superficial del cono. Asumir un valor de K, sin tomar en cuenta esta
característica fundamental, puede conducir a resultados inexactos. En este
estudio, la calibración del penetrómetro de cono se realizó utilizando los
resultados de la profundidad de penetración (h) y la correspondiente
resistencia al corte no drenada, resultante del ensayo
de veleta en miniatura de laboratorio, y se obtuvo un valor de factor de cono
de K=0.518 con un coeficiente de correlación R2=0.978.
- El
estudio demuestra que, con una calibración adecuada, el Penetrómetro de Cono es
una herramienta confiable para estimar la resistencia al corte
no drenada en arcillas. Aunque la validación respecto a los resultados de
los ensayos de Veleta de Laboratorio es limitada, la simplicidad y el bajo
costo del Penetrómetro hacen de esta metodología una herramienta útil para
obtener parámetros para un análisis de ingeniería preliminar. Además, la
simplicidad del ensayo puede ser atractiva en aplicaciones de ingeniería que
requieren análisis rápidos de arcillas saturadas.
6.
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Trayectoria
académica
Miriam
Rosanna Escalaya Advíncula
Universidad Ricardo Palma, Perú.
Doctora en Ingeniería Civil en el Área de Especialización
de Geotecnia de la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro-Brasil,
Maestra en Ciencias con Mención en Ingeniería Geotécnica de la Universidad
Nacional de Ingeniería, Ingeniera Civil de la Universidad Nacional San Luis
Gonzaga de Ica. Actualmente se desempeña como Especialista Geotécnica en la
Empresa Jorge E. Alva Hurtado Ingenieros SAC, con gran experiencia en el área.
Ejerce la actividad docente en el pregrado de la Facultad de Ingeniería Civil
de las Universidad Ricardo Palma.
Autor
corresponsal: miriam.escalaya@urp.edu.pe / m_escalaya@hotmail.com
Orcid: https://orcid.org/0000-0002-0620-8633
Marco Antonio
Hernández Aguilar
Universidad Ricardo Palma, Perú.
Magíster en Ciencias de la Ingeniería con mención en
Ingeniería Geotécnica por la Universidad Católica de Río de Janeiro - Brasil.
1993-1995. Ingeniero Civil CIP 064415, graduado en la Universidad Ricardo Palma
1985-199. Gerente General de Geo Master Ingenieros Consultores S.AC. Consultor
Geotécnico de obras de Diseños de Presas de Relave, Estabilización de Taludes,
Colocación y Monitoreo de Instrumentación Geotécnica de Campo, estudio y
Evaluación de Capacidad Portante, Evaluación Geotécnica del subsuelo mediante
perforaciones diamantinas, Estudios Geotécnicos para plantas de tratamientos de
aguas residuales, agua de mina y depósitos de relaves, evaluación y diseños de
pavimentos, trabajos geotécnicos para estudios hidrogeológicos, para tanques de
combustibles. Ejerció la actividad docente en la Universidad San Ignacio de
Loyola y Universidad Peruana de Ciencia Aplicadas. Actualmente es Docente
Universitario de los cursos de Mecánica de Suelos I y II en el Pregrado de la Universidad
Ricardo Palma.
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-1534-428X
César Giancarlo Rojas Llactas
Universidad Ricardo Palma, Perú.
Estudiante de la Escuela Profesional de Ingeniería
Civil, Facultad de Ingeniería, de la Universidad Ricardo Palma, Perú.
Colaborador en el desarrollo de Proyectos de Investigación Científica con
enfoque en las especialidades de Mecánica de Suelos, Geotecnia y Cimentaciones.
201811351@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0009-0002-0180-1160
Contribución
de autoría
Miriam Escalaya Advíncula: Coordinación trabajos de
campo y ensayos de laboratorio, discusión de resultados, redacción de artículo.
Marco Hernández Aguilar: Coordinación trabajos de campo, análisis y discusión
de resultados.
César
Rojas Llactas: Coordinación
trabajos de campo, análisis y discusión de resultados.
Conflicto
de intereses
Los autores declaran que no existen conflicto de intereses en el
desarrollo de la presente investigación.
Responsabilidad
ética y legal
El desarrollo de la investigación se realizó bajo la conformidad de los
principios éticos del conocimiento, respetando la originalidad de la
información y su autenticidad.
Declaración
sobre el uso de LLM (Large Language Model)
Este artículo no
ha utilizado para el desarrollo de la investigación textos provenientes de LLM
(ChatGPT u otros).
Financiamiento
La presente investigación ha sido financiada por el Vicerrectorado de
Investigación de la Universidad Ricardo Palma.
Agradecimiento
Al Vicerrectorado de Investigación de la Universidad Ricardo Palma por
financiamiento del Proyecto.
Correspondencia: miriam.escalaya@urp.edu.pe / m_escalaya@hotmail.com
© Los autores. Este artículo Open Access está
publicado bajo la Licencia Creative Commons Atribución 4.0 Internacional (CC-BY 4.0).