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ESTUDIO DE RESULTADOS ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) PARA EL FACTOR DE CORRECCIÓN (CN) Y EL ÁNGULO DE FRICCIÓN (Ø) DEL SUELO USANDO DIFERENTES TIPOS DE CORRELACIONES

JULY ESTEFANY CARMONA ÁLVAREZ

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2014

ESTUDIO DE RESULTADOS ENSAYO DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) PARA EL FACTOR DE CORRECCIÓN (CN) Y EL ÁNGULO DE FRICCIÓN (Ø) DEL SUELO USANDO DIFERENTES TIPOS DE CORRELACIONES

JULY ESTEFANY CARMONA ÁLVAREZ

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil

Director JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2014

Nota de aceptación

______________________________________ ______________________________________ ______________________________________

______________________________________ Director de Investigación Ing. Juan Carlos Ruge Cárdenas

______________________________________ Asesor Metodológico Ing. Saieth Baudilio Cháves Pabón

______________________________________ Jurado

Bogotá D.C., noviembre de 2014

A mi sobrino Gabriel Rodríguez,, con todo mi amor.

July Estefany

AGRADECIMIENTOS La autora expresa sus agradecimientos a: Agradezco a Dios y a la Santísima Virgen de Guadalupe por haber permitido llegar al día de dar el paso final y el primeros de muchos en mi vida profesional, dándome la bendición de contar con una familia que fue la columna donde me pude apoyar para que el sueño de todos se volviera realidad. Agradezco a mis padres por la vida, los valores, el ejemplo, la dedicación, los días de trabajo fuerte que tuvieron que vivir para poderme brindar todo lo necesario hasta el día de hoy. Su ejemplo hoy me formó con una profesional íntegra y dispuesta a colaborar a la comunidad. Agradezco a mi hermana y su esposo Juan Rodríguez, que me brindaron su apoyo sin interés en los momentos más indicados e inesperados. En general agradezco a toda la familia Carmona Cuadros y a la familia Álvarez Ángel pude contar con ellos, en especial a mi Tío Elkin Carmona que desde el principio creyó en mí y como él me decía “eres mi orgullo hija”. Hoy soy fruto del orgullo de muchos de ustedes pero gracias al esfuerzo, dedicación y sacrificio de cada uno de ustedes. Agradezco a todos los directivos y docentes de la Universidad Católica de Colombia por la búsqueda diaria de la calidad para que los egresados de la institución seamos competentes para el campo laboral. En especial agradezco al ingeniero Juan Carlos Ruge por haberme brindado su conocimiento y tiempo para poder hacer el trabajo de grado para la obtención del título de ingeniero civil.

CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN

15

1. 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 1.5 1.6 1.6.1 1.6.1.1 1.6.1.2 1.6.2 1.6.2.1

GENERALIDADES ANTECEDENTES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Descripción del problema Formulación del problema OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos JUSTIFICACIÓN DELIMITACIONES MARCO REFERENCIAL Marco teórico Corrección por energía Corrección por la influencia del nivel de esfuerzos Marco conceptual Ensayo de penetración estándar

16 16 17 17 18 19 19 19 20 21 23 23 23 26 30 30

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20

ANÁLISIS ESTACIÓN CALLE 38 ESTACIÓN CALLE 45 ESTACIÓN CALLE 53 ESTACIÓN CALLE 60 ESTACIÓN CALLE 64 ESTACIÓN CALLE 79 ESTACIÓN CALLE 94 ESTACIÓN CALLE 100 ESTACIÓN CALLE 106 ESTACIÓN CALLE 116 ESTACIÓN CALLE 127 ESTACIÓN CALLE 134 ESTACIÓN CALLE 140 ESTACIÓN CALLE 147 ESTACIÓN CALLE 153 ESTACIÓN CALLE 160 ESTACIÓN CALLE 165 PUENTE PEATONAL CALLE 130 PUENTE PEATONAL CALLE 154 PUENTE PEATONAL CALLE 164

39 39 44 48 52 56 60 64 70 74 80 84 88 92 97 101 104 107 111 117 123

pág. 2.21 2.22 3.

PUENTE PEATONAL CALLE 170 BOX CULVERT CALLE 108 CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

128 133 137 139

LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8. Tabla 9. Tabla 10. Tabla 11. Tabla 12. Tabla 13. Tabla 14. Tabla 15. Tabla 16. Tabla 17. Tabla 18. Tabla 19. Tabla 20. Tabla 21. Tabla 22. Tabla 23. Tabla 24. Tabla 25. Tabla 26. Tabla 27. Tabla 28. Tabla 29. Tabla 30. Tabla 31. Tabla 32.

Factor de Eficiencia e3, en función de m Valores Empíricos del ángulo de fricción Compacidad del Suelo (Granulares) Compacidad del suelo (Cohesivos) Ventajas y Desventajas del Ensayo SPT Datos de Perforación Calle 38 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 38 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 38 Datos de Perforación calle 45 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 45 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 45 Datos de Perforación Calle 53 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 53 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 53 Datos de Perforación Calle 60 Corrección por confinamiento (Cn) Calle 60 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo calle 60 Datos de Perforación Calle 64 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 64 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 64 Datos de Perforación Calle 79 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 79 Correlación Presión por Confinamiento y Angulo Calle 79 Datos de Perforación Calle 94 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 94 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 94 Datos de Perforación Calle 100 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 100 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 100 Datos de Perforación Calle 106 Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 106 Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 106

24 28 36 36 38 39 40 de Fricción 41 44 45 de Fricción

de fricción

46 48 49 50 52 53

de Fricción

54 56 57

de Fricción 58 60 61 de Fricción 62 64 65 de Fricción

de Fricción

67 70 71 72 74 75

de Fricción

77

pág. Tabla 33. Datos de Perforación Calle 116 Tabla 34. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 116 Tabla 35. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 116 Tabla 36. Datos de Perforación Calle 127 Tabla 37. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 127 Tabla 38. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 127 Tabla 39. Datos de Perforación Calle 134 Tabla 40. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 134 Tabla 41. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 134 Tabla 42. Datos de Perforación Calle 140 Tabla 43. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 140 Tabla 44. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 140 Tabla 45. Datos de Perforación Calle 147 Tabla 46. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 147 Tabla 47. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 147 Tabla 48. Datos de Perforación Calle 153 Tabla 49. Corrección por Confinamiento Calle 153 Tabla 50. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 153 Tabla 51. Datos de Perforación Calle 160 Tabla 52. Corrección por Confinamiento Calle 160 Tabla 53. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 160 Tabla 54. Datos de Perforación Calle 165 Tabla 55. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 165 Tabla 56. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 165 Tabla 57. Datos de Perforación Calle 130 Tabla 58. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 130 Tabla 59. Correlación Presión de Confinamiento y Ángulo Calle 130 Tabla 60. Datos de Perforación Calle 154 Tabla 61. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 154 Tabla 62. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo Calle 154 Tabla 63. Datos de Perforación Calle 164 Tabla 64. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 164

de Fricción

80 81 82 84 85

de Fricción

86 88 89

de Fricción 90 92 93 de Fricción 94 97 98 de Fricción

de Fricción

99 101 102 102 104 105

de Fricción

105 107 108

de Fricción 109 111 112 de Fricción 114 117 118 de Fricción 120 123 124

pág. Tabla 65. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo de Fricción Calle 164 Tabla 66. Datos de Perforación Calle 170 Tabla 67. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 170 Tabla 68. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo de Fricción Calle 170 Tabla 69. Datos de Perforación Calle 108 Tabla 70. Corrección por Confinamiento (Cn) Calle 108 Tabla 71. Correlación Presión de Confinamiento y Angulo de Fricción Calle 108

125 128 129 130 133 134 135

LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7. Figura 8. Figura 9. Figura 10. Figura 11. Figura 12. Figura 13. Figura 14. Figura 15. Figura 16. Figura 17. Figura 18. Figura 19. Figura 20. Figura 21. Figura 22. Figura 23. Figura 24. Figura 25. Figura 26. Figura 27. Figura 28. Figura 29. Figura 30.

Localización Carrera 7ª Zonificación Geotécnica de Bogotá Factor de eficiencia e1, función del mecanismo de liberación del martillo Factor de eficiencia e2 en función del peso del yunque Relación entre NSPT, Ø y presión vertical Esquema SPT Brazos y Barras de Perforación Tubo Muestreador Sondeo Diagrama de la toma de muestreo Esquema Perforación Calle 38 Correlación Presión de Confinamiento y esfuerzo Admisible Calle 38 Esquema Perforación calle 45 Correlación Presión de Confinamiento y esfuerzo Admisible Calle 45 Esquema Perforación Calle 53 Correlación Presión de Confinamiento y esfuerzo Admisible Calle 53 Esquema Perforación Calle 60 Correlación Presión de Confinamiento y esfuerzo Admisible Calle 60 Esquema Perforación Calle 64 Correlación Presión de Confinamiento y esfuerzo Admisible Calle 64 Esquema Perforación Calle 79 Correlación Presión de Confinamiento y esfuerzo Admisible Calle 79 Esquema Perforación Calle 94 Correlación Presión de Confinamiento y Esfuerzo Admisible Calle 94 Esquema Perforación Calle 100 Correlación Presión de Confinamiento y Esfuerzo Admisible Calle 100 Esquema Perforación Calle 106 Correlación Presión de Confinamiento y Esfuerzo Admisible Calle 106 Esquema Perforación Calle 116 Correlación Presión de Confinamiento y Esfuerzo Admisible Calle 116

21 22 24 24 28 31 32 33 34 35 39 43 44 47 48 51 52 55 56 59 60 63 64 69 70 73 74 79 80 83

pág. Figura 31. Esquema Perforación Calle 127 Figura 32. Correlación Presión de Confinamiento Calle 127 Figura 33. Esquema Perforación Calle 134 Figura 34. Correlación Presión de confinamiento Calle 134 Figura 35. Esquema Perforación Calle 140 Figura 36. Correlación Presión de Confinamiento Calle 140 Figura 37. Esquema Perforación Calle 147 Figura 38. Correlación Presión de Confinamiento Calle 147 Figura 39. Esquema Perforación Calle 153 Figura 40. Correlación Presión de Confinamiento Calle 153 Figura 41. Esquema Perforación Calle 160 Figura 42. Correlación Presión de Confinamiento Calle 160 Figura 43. Esquema Perforación Calle 165 Figura 44. Correlación Presión de Confinamiento Calle 165 Figura 45. Esquema Perforación Calle 130 Figura 46. Correlación Presión de Confinamiento Calle 130 Figura 47. Esquema Perforación Calle 154 Figura 48. Correlación Presión de Confinamiento Calle 154 Figura 49. Esquema Perforación Calle 164 Figura 50. Correlación Presión de Confinamiento Calle 164 Figura 51. Esquema Perforación Calle 170 Figura 52. Correlación Presión de Confinamiento Calle 170 Figura 53. Esquema Perforación Calle 108 Figura 54. Correlación Presión de Confinamiento Calle 108

84 y Esfuerzo Admisible

87 88

y Esfuerzo Admisible y Esfuerzo Admisible

91 92 96 97

y Esfuerzo Admisible 100 101 y Esfuerzo Admisible 103 104 y Esfuerzo Admisible

106 107

y Esfuerzo Admisible y Esfuerzo Admisible

110 111 116 117

y Esfuerzo Admisible 122 123 y Esfuerzo Admisible 127 128 y Esfuerzo Admisible

132 133

y Esfuerzo Admisible 136

GLOSARIO ALUVIONES: material detrítico transportado y depositado transitoria o permanentemente por una corriente de agua, que puede ser repentina y provocar inundaciones. CONFINAMIENTO: acción o resultado de confinar o confinarse. CONFINARSE: permanecer encerrado. CORRELACIÓN: indica la fuerza y dirección de una relación y proporcionalidad entre dos variables estadísticas. ESFUERZO: la resistencia que ofrece un área unitaria (A) del material del que está hecho un miembro para una carga aplicada externa (fuerza, F). ESTRATIGRAFÍA: rama de la geología que trata el estudio e interpretación de las rocas sedimentarias y los estratos. FRICCIÓN: la fuerza entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática). LACUSTRE: formados por la sedimentación en cuerpos de agua como lagos, embalses y cauces abandonados; están compuestos de limos finos y arcillas. Usualmente presentan colores grises y azulados, tienen una densidad baja y un alto grado de saturación. LADERA: declive lateral de un monte o una montaña, cuya pendiente es el ángulo que forma con la horizontal PIEDEMONTE: indica el inicio de una montaña o la llanura formado en zonas montañosas por los conos de aluviones

INTRODUCCIÓN El ensayo de penetración estándar (SPT), es un ensayo in situ de penetración por medio de golpeteo que define parámetros de diseño geotécnico. Se denomina ensayo estándar, pero este contiene variaciones las cuales se deben correlacionar por diferentes métodos, dependiendo del material extraído del suelo para calcular las correcciones del número de golpes (Ncorr) y por tanto el ángulo de fricción equivalente (Øeqv). Las variaciones del ensayo SPT se deben tener en cuenta para calcular las correcciones de los parámetros de energía y presión por confinamiento (Cn), con los cuales obtendremos los valores finales para las correlaciones entre el número de golpes (N) y el ángulo de fricción (Ø). Calculando estas correlaciones por diferentes métodos y teniendo en cuenta cada método que tipo de material utiliza y valores ya estandarizados en los sectores podremos definir cuál es el método más aproximado para los diseños geotécnicos. La relación con la zonificación geotécnica de Bogotá deberá servir como complemento para la estratigrafía de los ensayos de penetración estándar de la carrera 7a entre la calle 38 y calle 170, unificando los diferentes sistemas evaluadores.

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1. GENERALIDADES 1.1 ANTECEDENTES Los orígenes del ensayo SPT se remontan al año 1902, cuando el Coronel Charles R. Gow comenzó a hacer perforaciones exploratorias utilizando muestreadores hincados, de 1 pulgada (25 mm) de diámetro, el cual se hincaba al suelo mediante un martillo de 110 lb (50Kg) en la base del sondaje, para contribuir en la estimación de costos de excavación manual de Caissons con campana, y con ello desarrolló la práctica de hincar en el suelo un tubo para obtener muestras, marcando el inicio del muestreo dinámico de los suelos. El muestreador de cuchara partida, similar al utilizado actualmente, debe su desarrollo a los trabajos efectuados por H.A. Mohr, Gerente de Distrito de Gow División en Nueva Inglaterra (USA) y a G.F.A. Fletcher de la Raymond Concrete Pile Company en 1927. Fletcher y Mohr “estandarizaron” en 1930 el método de hincar una cuchara partida de 2 pulgadas (50 mm) de diámetro usando una masa de 125 lb (62.5 kg) de peso que cae desde una altura de 30 pulgadas (760 mm), como lo describe Mohr en 1937. Es interesante mencionar que Mohr en 1943 declaró que el ensayo permite tener una gruesa idea de las condiciones del suelo. El término “Ensayo de Penetración Estándar” fue probablemente utilizado por primera vez por Terzaghi en 1947 en su artículo “Recent Trends inSubsoil exploration”, el cual fue presentado en la 7ª Conferencia de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones efectuada en Texas, USA. El uso del ensayo SPT en el diseño de zapatas superficiales y profundas se extendió rápidamente después de 1948, cuando la primera edición del libro “Soil Mechanics in Engineering Practice” de Terzaghi & Peck fue publicado; ya que en él se indicaba una correlación entre el número de golpes para penetrar 30 cm (Nspt) y la densidad relativa (Dr). Rápidamente el método fue adoptado por el US Corps of Engineers y el US Bureau of Reclamation. Las primeras correlaciones SPT publicadas aparecieron en la Figura 177, de la página 423 de la primera edición de 'Mecánica de Suelos en la Práctica de Ingeniería' de Terzaghi y Peck, publicada en 1948. Este libro es el primer texto donde se hace referencia al ensayo SPT. Posteriormente, se presentaron correlaciones entre el número de golpes del SPT y la consistencia de limos y arcillas, y la densidad relativa de arenas, en Peck, R. B.; Hanson, W. E.; y Thornburn, T. H., 1953, Foundation Engineering: John Wiley & Sons, New York, 410 p. En este libro, los autores indicaron que los datos para las arenas eran más confiables que los publicados para limos y arcillas. 16

En 1953, Peck et al, propusieron ábacos para el diseño de zapatas en arena, en donde la capacidad de soporte admisible fue relacionada con el número de golpes (Nspt) y un asentamiento total de 25 mm (2.5 cm). En 1954 Jim Parsons de Moran, Proctor, Freeman & Mueser introdujo el procedimiento convencional donde se registra el número de golpes para los tres incrementos de 6" de longitud, usando un barril muestreador de 18 pulgadas. El valor registrado para la primera etapa de avance es descartado debido a la alteración de la muestra y ajuste por caída de la tubería. Esto ahorró tiempo y dinero ya que no se requería la limpieza con el barreno jet que él había introducido en 1940. El segundo par de numero son entonces combinados y reportados como un único valor para las últimas 12 pulgadas. Este valor se conoció como el número de golpes estándar, N, o Nspt. El interés por estandarizar los métodos comunes de ensayos de penetración en suelos, se remontan a la 4a Conferencia Internacional de Mecánica de Suelos y Fundaciones realizada en Londres en 1957. En aquella ocasión se encargó a un subcomité la tarea de estudiar la posible estandarización de los métodos de penetración estáticos y dinámicos. En el año 1958 la American Standard Testing Method (ASTM) publicó el documento denominado “Tentative method for penetration test and split barrel sampling of soils”. Sólo en el año 1967 alcanzó la categoría de norma (ASTM D1586). En 1999 en el décimo congreso de geotecnias en Colombia el ingeniero Álvaro González, determino una nueva expresión para corregir a presión de confinamiento, con la cual también desarrollo una nueva correlación enfocada suelos de Colombia. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.2.1 Descripción del problema. La finalidad de estudiar los ensayos de penetración estándar de forma localizada es para poder interpretar si los valores y métodos utilizados que tanto afectan el diseño final y cuál sería el método apropiado para trabajar en una zona determinada. En el caso de la investigación de la carrera séptima entre calle 38 y calle 170 para las estaciones de servicio masivo de transporte (Transmilenio), los cruces vehiculares y los puentes de servicio peatonal proyectados para la zona mencionada anteriormente. Se busca como resultado final obtener el método de estudio óptimo ya que sabemos que el macizo rocoso hace de esta zona una fuente importante y de seguridad a la hora de la construcción, también pudiendo proporcionar una nueva solución para el diseño de estas estructuras que en otras zonas no han tenidos resultados apropiados a largo plazo pudiendo ser el estudio 17

del suelo y el comportamiento del suelo el factor que ha producido deformaciones y daños en las mismas estructuras en zonas diferentes de la ciudad. 1.2.2 Formulación del problema. El ensayo de penetración estándar es un ensayo que tiene diversas falencias a la hora de obtener resultados poniendo en riesgo los diseños de elementos de cimentación dándole inestabilidad a la estructura que se des...