DISEÑO CON CONO DE PENETRACIÓN DINÁMICO EN VÍAS SECUNDARIAS JUAN VIVANCO MORALES, Ingeniero Civil, Profesor Depto. Obras Civiles Universidad Técnica Federico Santa María, [email protected] CARLOS WAHR DANIEL, Ingeniero Civil, Profesor Depto. Obras Civiles Universidad Técnica Federico Santa María, [email protected] CLAUDIA CASANOVA CHIA, Alumna Memorista Construcción Civil Universidad Técnica Federico Santa María. RESUMEN

Se presenta la aplicación del cono de penetración dinámico (DCP) como un método de diseño, el que se utiliza en Sudáfrica mediante el software WinDCP 5.0, basado en el ajuste de una "curva de balance" estándar que representa la resistencia de la estructura en función de un número estructural y de la penetración, resultados que han sido verificados con ensayos de HVS (Heavy Vehicle Simulator). A partir de mediciones con el DCP que representan propiedades reales insitu, se analizan diseños de estructuras de pavimentos secundarios en la V Región, permitiendo definir estructuras apropiadas para los diferentes tramos que componen a estas vías. 1. INTRODUCCIÓN El Cono de Penetración Dinámico DCP (Dynamic Cone Penetrometer) es un instrumento diseñado para medir in situ las propiedades de las capas del suelo que constituyen la estructura de un pavimento, de una manera no destructiva, rápida y económica. De esta forma se puede advertir la resistencia y capacidad de soporte de un pavimento, y de acuerdo a lo propuesto por el método de diseño Sudafricano, diseñar y rehabilitar estructuras hasta tránsitos de 12 millones de EE, por lo cual se transforma en una poderosa herramienta aplicable en la V región. El método fue desarrollado en Sudáfrica, país que ha experimentado grandes avances en este tipo de tecnología, y se ha utilizado ampliamente en pavimentos de superficies delgadas con subcapas de grava natural y en pavimentos con capas ligeramente estabilizadas. El instrumento DCP mide la penetración por golpe en un pavimento a través de la totalidad de sus capas bajo carga constante. Esta penetración es función de la resistencia de corte in situ. El perfil de penetración obtenido, no sólo da una indicación de las propiedades de los materiales sino que también permite conocer el valor del CBR in situ y del Módulo Efectivo de cada una de las capas que conforman la estructura del pavimento. Dentro de las bondades que presenta esta metodología se puede mencionar tanto la rapidez de la auscultación como también el mejor conocimiento de las capas del suelo y su capacidad

estructural, con lo cual, se puede realizar un seguimiento del comportamiento estructural e influencia de las solicitaciones, y de esta manera no sólo se puede evaluar el comportamiento de los pavimentos existentes sino que además, identificar tramos homogéneos con características similares en la etapa de diseño. 2. DESCRIPCIÓN DEL INSTRUMENTO El cono de penetración dinámico (DCP), es un instrumento sencillo utilizado como dispositivo no destructivo que mide in situ la capacidad de soporte de pavimentos de superficie delgada, consiste en una barra de acero de 16 [mm] de diámetro de un largo aproximado de 950 [mm] (permite una extensión de 400 [mm]) con un cono de 20 [mm] de diámetro en el extremo y un ángulo de ataque de 60º. La barra penetra en el suelo mediante golpes, para lo cual se atornilla a un yunque. Sobre el yunque, se atornilla otra barra de 16 [mm] de diámetro por donde se desplaza un martillo de 8 [kgf] de peso; el largo de la barra permite que la altura de caída del martillo sea de 575 [mm]. El instrumento tiene además un mango en su extremo superior que no sólo sirve para mantener en posición el instrumento durante el ensayo sino que también, sirve de tope para que la altura de caída sea la mencionada y evitar que el martillo produzca fuerzas en el sentido contrario a la penetración. Las medidas se realizan con respecto a una regla de referencia graduada que se fija a una barra que en su extremo tiene una punta aguda que se clava al suelo y queda en posición fija. El dispositivo con la regla permite deslizar a la barra de penetración en la parte inferior y en la parte superior va adosada al yunque que se desliza sobre el dispositivo con la regla de referencia, en donde se va midiendo la penetración. El largo total aproximado del equipo es de 1935 [mm]. Con respecto a la definición de la profundidad máxima a ser inspeccionada con el instrumento, la experiencia Sudafricana avalada por los ensayos a escala real mediante el HVS (Heavy Vehicle Simulator), ha determinado una profundidad de 800 [mm], considerada suficiente en cuanto a la acción del tránsito y clima, aunque se permite medir hasta profundidades de 1200 [mm] extendiendo la barra.

Figura 1 : Cono de penetración dinámico.

3. SISTEMA DE CLASIFICACION DCP 3.1. Base para el sistema de clasificación resistencia-balance de pavimentos La metodología está basada en relacionar la velocidad de penetración del cono, cuando se hinca con una fuerza normalizada, y es inversamente proporcional a la resistencia del material de las capas del suelo. Con ello se pueden identificar los límites y espesores de capas de diferentes características. El sistema de clasificación considera dos parámetros importantes para el análisis, uno relacionado al cambio de resistencia de las diferentes capas y el otro, a la variación de esta resistencia respecto a una curva estándar definida como patrón. De esta forma el concepto utilizado en la metodología es la “resistencia balance” de la estructura, definida como el cambio de resistencia de las capas del pavimento con la profundidad y que normalmente decrece con ella, y dependiendo de esta variación (suave o pronunciada), se tiene una clasificación primaria de “estructuras superficiales, profundas o invertidas”. Esto se expresa mediante el parámetro B, que determina la curva SPBC (Standard Pavement Balance Curve) que más se ajusta a aquellas definidas y validadas para diferentes estructuras a través del ensayo HVS, y por lo tanto, según los límites en que se encuentre el parámetro B, se puede advertir la dicha clasificación. En el caso de estructuras superficiales, la variación de la resistencia es algo suave, concentrándose en las primeras capas el mayor porcentaje de resistencia (B > 40). En las estructuras profundas, la variación es más pronunciada, reflejando que la resistencia está en mayor porcentaje en las capas más profundas (0 < B < 40). Por último, en las estructuras invertidas, la resistencia está prácticamente concentrada en las capas subyacentes, observándose un aumento de la resistencia con la profundidad, tal es el caso de existencia de roca (B < 0).

Las SPBC obtenidas para diferentes valores del parámetro B, son una familia de curvas que se relacionan con el número estructural del pavimento DSNp [mm], el cual representa el número de golpes requeridos para penetrar “p” [mm] desde la superficie del pavimento, normalmente la profundidad máxima considerada es 800 [mm]. Esto se expresa mediante la ecuación 1:

[

D ∗ 400 ∗ B + (100 − B ) DSN (% ) = 2 4 ∗ B ∗ D + (100 − B ) Donde

2

]

(1)

DSN = Número estructural del pavimento, como porcentaje (%) B = Parámetro, que describe la SPBC D = Profundidad del pavimento, como porcentaje (%)

El parámetro B varía entre -90 y +90 con intervalos de 10 unidades entre curvas SPBC individuales. Además la SPBC con B < 0 es una imagen espejo de B > 0. En la figura 2 se muestra la relación entre DSN y la profundidad para diferentes valores del parámetro B y la distintas curvas SPBC asociadas.

Figura 2: Curvas de Balance Estándar de Pavimentos SPBC.

Para las condiciones del terreno existente, a partir de las mediciones de número de golpes y penetración, el software winDCP 5.0 calcula la curva de balance característica del lugar de medición, la cual se compara con las curvas de balance estándar y determina a cuál curva se ajusta mejor. Dependiendo de este ajuste, se determina la clasificación secundaria, que se relaciona con la variación respecto a un balance patrón. Esto queda reflejado mediante el parámetro A, que representa la variación acumulada con respecto al mejor ajuste a una curva SPBC y permite observar el grado de desbalance que presenta la estructura, que puede ser “bien, mediana o pobremente” balanceada dependiendo de los límites en que se encuentre A (0