ES2905753T3 - Penetrómetro estático con sistema compresible desplazado y uso de dicho penetrómetro - Google Patents

Abstract

Penetrómetro (100) que comprende: - al menos una varilla central (1) terminada en un primer extremo por una punta de medición (11); - al menos un tubo hueco (2) que rodea la varilla central (1), esta última es capaz de deslizarse por el interior del tubo hueco (2); - Una celda de medición (3) en contacto con el tubo hueco (2), que se destina a transmitir una fuerza aplicada por unos medios de soporte (4), para provocar una inserción en modo estático en el suelo del tubo hueco (2) y la varilla central (1); dicho penetrómetro (100) que comprende un sistema comprimible (6) que asegura una conexión elástica entre la celda de medición (3) y un segundo extremo (12) de la varilla central (1), dicho penetrómetro (100) se caracteriza porque dicho sistema comprimible (6) incluye: - Una primera cámara (61) de aceite formada en la celda de medición (3), y un primer pistón (62) fijo a un segundo extremo (12) de la varilla central (1) y capaz de deslizarse en la primera cámara (61) ; - Al menos una columna (63) desplazada con respecto al eje de la varilla central (1), que comprende una segunda cámara (64) de aceite en comunicación de fluidos con la primera cámara (61), un segundo pistón (65) capaz de deslizarse en la segunda cámara (64) y un dispositivo comprimible calibrado (66) en contacto con el segundo pistón (65); - Un sensor de presión (67) conectado a la segunda cámara y/o un sensor de desplazamiento (68) capaz de medir la longitud del dispositivo comprimible calibrado (66).

Description

DESCRIPCIÓN

Penetrómetro estático con sistema compresible desplazado y uso de dicho penetrómetro

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de la geotécnica y la geología. Se refiere en particular a un dispositivo para medir la resistencia a la penetración de un suelo, que se llama comúnmente penetrómetro, y métodos de medición asociados.

Antecedente tecnológico de la invención

La compacidad de los suelos generalmente se mide, ya sea en modo estático o en modo dinámico, mediante un dispositivo de medición llamado penetrómetro. Un penetrómetro comprende convencionalmente tubos conectados de un cabo al otro para formar una sarta de varillas en cuyo cabo se fija una punta de medición, que se destina a hundirse en el suelo a profundidades que pueden alcanzar varias decenas de metros.

En modo estático, el conjunto de varillas se empuja mediante cilindros, que provoca la inserción progresiva de la punta de medición; este último mide la resistencia de la punta y, opcionalmente, la fricción lateral en un manguito cilíndrico ubicado sobre la punta. Estas mediciones se registran de forma continua o discontinua de acuerdo con un paso regular. La medición estática de la resistencia a la penetración del suelo es sin duda la más precisa porque se realiza directamente en la punta de medición, al fondo del sondeo.

Este método de medición estática tropieza sin embargo con algunas dificultades. Cuando la resistencia del suelo es significativa (suelos muy compactos), se vuelve muy complejo aplicar suficiente empuje para generar la inserción de la punta. Además, cuando la punta de medición y la sarta de varillas se hunden a varios metros, la fricción ejercida por el suelo en la sarta de varillas también debe superarse mediante un fuerte empuje para continuar la inserción. Como resultado, el peso, la potencia y la calidad del anclaje de las máquinas que accionan los gatos a veces no son suficientes para asegurar en todas las circunstancias una medición en modo estático.

Además, existe otro modo de medición que se denomina modo dinámico que se basa en la inserción de la punta mediante la trilla en la sarta de varillas. La conducción se realiza al hacer caer un mazo o un martillo en un yunque que impulsa la sarta de varillas a tirones. Conocer la energía liberada por la caída de la masa y conocer la penetración del tirón, se calcula la resistencia a la penetración del suelo que tiene en cuenta varios coeficientes de pérdida de energía. Este modo dinámico tiene una capacidad más grande de penetración que el modo estático, especialmente en los suelos de alta compacidad. Una medición en modo dinámico es sin embargo mucho menos precisa que una medición en modo estático y proporciona solo una información parcial de la resistencia del suelo en función de la profundidad, debido a la inserción por tirón y, en general, a la no disociación de la resistencia de punta con respecto a la fricción lateral parasitaria.

El documento FR2584186 describe un dispositivo para medir las características del suelo por penetración dinámica que comprende una sarta de varillas macizas que se terminan en una punta y que se deslizan dentro de una sarta de varillas huecas, y un cabezal de trilla fijado rígidamente a las varillas huecas y varillas macizas fijadas elásticamente por la interposición de un resorte. La caída de un martillo de caída en el cabezal de trilla provoca la inserción de las sartas de varillas. Durante el levantamiento y la nueva caída del martillo de caída (duración de 0,3 a 5 segundos), el resorte se relaja y la punta continúa a hundirse hasta que la reacción del suelo sea igual a la fuerza de compresión del resorte. Este dispositivo tiene el inconveniente de realizar únicamente, entre dos depresiones dinámicas por la caída de un martillo de caída en el cabezal de trilla, mediciones puntuales y discontinuas en modo estático, a profundidades aleatorias en función de la resistencia del suelo.

Otros penetrómetros dichos estáticos dinámicos son capaces de trabajar en modo dinámico y estático mixto, de modo que el modo estático ya no es posible, típicamente en presencia de capas de suelo con alta compacidad, la resistencia a la penetración se vuelve demasiado significativa.

Se conoce en particular el documento EP2535460, que describe un dispositivo que comprende una varilla de medición terminada en una punta de medición, un tubo de protección que se pone alrededor de la varilla de medición, medios de descenso y elevación para llevar a cabo la inserción en el suelo en modo estático, medios de percusión para llevar a cabo la inserción en el suelo en modo dinámico y medios de medición para determinar la resistencia a la penetración del suelo. La particular construcción de este dispositivo permite aislar la inserción dinámica del tubo de protección exterior, de la toma de medición estática de la resistencia en la punta y de la fricción lateral a través de la varilla de medición interior. De esta manera, la varilla de medición no se sujeta a las fuerzas mecánicas ejercidas por los medios de percusión y la toma de medición puede realizarse en modo estático.

La estructura de este dispositivo sin embargo permanece compleja y engorrosa de implementar, tanto desde el punto de vista del propio dispositivo como del equipo relacionado necesario para desplazar y usar dicho dispositivo. Además, la fase de trilla no permite la medición de la resistencia en la punta (no se disocia esta de la fricción lateral del manguito), y esta es idéntica al dispositivo que se describe en el documento FR2584186, de manera que ciertas particularidades importantes del terreno pueden escapar al conocimiento del geólogo.

Objeto de la invención

Un objeto de la presente invención es proporcionar una solución alternativa a las soluciones del estado de la técnica, en particular, un penetrómetro estático que sea simple de implementar, robusto y que permita mediciones precisas y continuas de la compacidad de un suelo.

Breve descripción de la invención

La invención se refiere a un penetrómetro de acuerdo con la reivindicación independiente 1 que comprende:

• Al menos una varilla central terminada en un primer extremo por una punta de medición;

• Al menos un tubo hueco que rodea la varilla central, esta última capaz de deslizarse por el interior del tubo hueco;

• Una celda de medición en contacto con el tubo hueco, que se destina a transmitir una fuerza aplicada por medios de soporte, para provocar una inserción en modo estático en el suelo del tubo hueco y de la varilla central;

El penetrómetro comprende un sistema comprimible que asegura una conexión elástica entre la celda de medición y un segundo extremo de la varilla. El penetrómetro es notable porque dicho sistema comprimible incluye:

- Una primera cámara de aceite formada en la celda de medición, y un primer pistón fijado con un segundo extremo de varilla central y capaz de deslizarse en la primera cámara;

- Al menos una columna desplazada con respecto al eje de la varilla central, que comprende una segunda cámara de aceite en comunicación de fluidos con la primera cámara, un segundo pistón capaz de deslizarse en la segunda cámara y un dispositivo comprimible calibrado en contacto con el segundo pistón;

- Un sensor de presión conectado a la segunda cámara y/o un sensor de desplazamiento capaz de medir la longitud del dispositivo comprimible calibrado.

Otras características ventajosas de la invención son:

• el sensor de presión es capaz de medir continuamente la presión en la segunda cámara, durante la inserción;

• el sensor de desplazamiento es capaz de medir continuamente la longitud del dispositivo comprimible calibrado, durante la inserción;

• el penetrómetro puede incluir un controlador electrónico configurado para registrar las mediciones del (de los) sensor(es) y para activar o desactivar los medios adicionales de inserción. Las reivindicaciones dependientes 2-12 muestran también otras características ventajosas de la invención.

La invención se refiere también a varios usos del penetrómetro tal como se indicó anteriormente:

• un uso de la medición de la resistencia a la penetración de un suelo,

• un uso de la evaluación de la topografía licuable de un suelo,

• un uso de la medición de las propiedades elastoplásticas de un suelo.

Breve descripción de figuras

Otras características y ventajas de la invención se desprenderán de la descripción detallada de la invención que va a seguir a continuación con referencia a las figuras adjuntas en las que:

[Figura. 1] La Figura 1 tiene un diagrama de bloques de un penetrómetro de acuerdo con una primera realización de la invención;

[Figura. 2] La Figura 2 tiene un diagrama de bloques de un penetrómetro de acuerdo con una segunda realización de la invención.

Descripción detallada de la invención

En la parte descriptiva, las mismas referencias de las figuras podrán usarse para elementos del mismo tipo. Las figuras son representaciones esquemáticas que, a efectos de legibilidad, no están necesariamente a la escala. La presente invención se refiere a un penetrómetro 100 que puede usarse en particular para la medición en modo estático de la resistencia a la penetración de un suelo.

El penetrómetro 100 comprende al menos una varilla central 1 terminada en un primer extremo por una punta de medición 11. A modo de ejemplo, podría montarse una conocida punta de medición de tipo “Gouda” al nivel del primer extremo de dicha varilla central 1.

El penetrómetro 100 comprende al menos un tubo hueco 2 que rodea la varilla central 1. Los diámetros respectivos del tubo hueco 2 y de la varilla central 1 se adaptan para que este último pueda deslizarse libremente dentro del tubo hueco 2.

El par formado por la varilla central 1 y el tubo hueco 2 se destinan a hundirse en el suelo, que tiene la punta 11 en el cabo la función de medir la resistencia a la penetración del suelo. Para probar la resistencia del suelo a varias profundidades, pueden conectarse varillas 1 y tubos 2 adicionales de cabo a otro, para formar una sarta de pares de varillas/tubos, que pueden hundirse en el suelo a profundidades de varias decenas de metros.

El penetrómetro 100 incluye también una celda de medición 3 en contacto con el tubo hueco 2. La celda de medición 3 se destina a transmitir una fuerza F aplicada por medios de soporte, para que provoque una inserción en modo estático en el suelo del par formado por el tubo hueco 2 y la varilla central 1. Los medios de soporte (no se muestran) susceptibles de aplicar dicha fuerza F se describirán más adelante.

La celda de medición 3 podrá en algunos casos ser integral con el tubo hueco 2, en particular, si se usa la fricción del tubo hueco 2 en el suelo como elemento de reacción. En los casos en que la celda de medición 3 sólo está en contacto con el tubo hueco 2, es el empuje de los medios de soporte el que mantiene la continuidad mecánica entre la celda 3 y el tubo 2. Un adaptador en la cabeza del tubo hueco 2 puede permitir el paso indiferente de un modo a otro.

El penetrómetro 100 comprende, además, un sistema comprimible 6 que asegura una conexión elástica entre la celda de medición 3 y un segundo extremo 12 de la varilla central 1 (o de la sarta de varillas centrales). El segundo extremo 12 se encuentra opuesto al primer extremo que soporta la punta de medición 11.

Como se ilustra en las Figuras 1 y 2, el sistema comprimible 6 comprende una primera cámara de aceite 61 formada en la celda de medición 3, y un primer pistón 62 fijado con el segundo extremo 12 de la varilla central 1; el primer pistón 62 es capaz de deslizarse en la primera cámara 61. En particular, cuando la punta de medición 11 se sale completamente con respecto al tubo hueco 2, el primer pistón 62 estará en la posición baja (de acuerdo con la disposición de las Figuras 1 y 2) en la primera cámara 61; cuando se borra la punta de medición 11, es decir se apoya contra el tubo hueco 2, el primer pistón 62 estará en una posición más alta en la primera cámara 61. Por tanto, el primer pistón 62 es capaz de deslizarse en la primera cámara 61 en función de la fuerza de reacción que el suelo aplica a la punta de medición 11.

El sistema comprimible 6 incluye también una columna 63 desplazada con respecto al eje de la varilla central 1. La columna desplazada 63 incluye una segunda cámara de aceite 64 en comunicación de fluidos con la primera cámara 61 y un segundo pistón 65 capaz de deslizarse en la segunda cámara 64. El sistema comprimible 6 incluye también un dispositivo comprimible calibrado 66 en contacto con el segundo pistón 65.

De acuerdo con una primera modalidad que se ilustra en la Figura 1, la comunicación de fluidos entre la primera cámara 61 y la segunda cámara 64 se realiza mediante un caño flexible 614a, que autoriza el desplazamiento a una distancia elegida de la columna 63 con respecto al conjunto de celda de medición 3/conjunto de tubo 2 y varilla 1 y al eje de inserción.

De acuerdo con una segunda modalidad que se ilustra en la Figura 2, la comunicación de fluidos entre la primera cámara 61 y la segunda cámara 64 se realiza mediante un conducto rígido 614b y relativamente corto, que permite además un desplazamiento de la columna 63 con respecto al conjunto de celda de medición 3/sarta de tubo 2 y varilla 1, pero más limitado que en la primera modalidad. El dispositivo comprimible 66 puede ser un elemento voluminoso de la columna 63, se mueve ventajosamente con respecto a la columna 63, en una segunda columna 63': la segunda cámara 64 se prolonga entonces por un segundo conducto 64b, ventajosamente flexible y de tamaño adecuado, hasta al pistón 65 que se pone en la segunda columna 63', en contacto con el dispositivo comprimible 66. Veremos más adelante que el primer o el segundo modo de implementación pueden ser más ventajosos de acuerdo con del tipo de prueba a realizar.

El desplazamiento del primer pistón 62 en la primera cámara 61 en función de la fuerza de reacción que el suelo aplica a la punta de medición 11, se va a transmitir al segundo pistón 65 en la segunda cámara 64, debido a la baja compresibilidad del aceite presente en y entre las dos cámaras. El segundo pistón 65 aplicará entonces una carga sobre el dispositivo comprimible calibrado 66, susceptible de comprimir o permitir que dicho dispositivo 66 se extienda.

En el sistema comprimible 6 del penetrómetro 100 de acuerdo con la invención, la longitud del dispositivo comprimible calibrado 66 podrá variar ventajosamente de 40 a 100 mm entre su estado alargado y su estado completamente retraído. Observemos que la rigidez del dispositivo comprimible 66 puede adaptarse a la dureza del suelo previsto después de una investigación preliminar. En particular, se podrá elegir la rigidez del dispositivo comprimible 66 de manera que pase de su estado alargado (mediante una carga nula) a su estado completamente retraído mediante una carga aplicada que comprenda entre 100 y 500 bares.

De acuerdo con una primera variante, el dispositivo comprimible 66 consiste en un resorte calibrado. La longitud del resorte varía linealmente con la carga que se le aplica.

De acuerdo con una segunda variante, el dispositivo comprimible calibrado 66 consiste en una pluralidad de arandelas Belleville, que se montan en oposición. La deformación de un conjunto de este tipo es casi lineal y su rigidez puede definirse como: ^k = ^{n * P/ho,} en donde n es el número de arandelas, P es la carga de aplastamiento de una arandela, más allá de la cual la arandela ya casi no se deforma y ho es la deflexión máxima. Esta variante tiene la ventaja de que la rigidez del conjunto de arandelas puede ajustarse fácilmente mediante la adición o la retirada de arandelas, las cuales pueden montarse en una amplia variedad de disposiciones: en oposición o en serie o incluso en una combinación de estas disposiciones, y en proporción variable. El uso de una pluralidad de arandelas Belleville es particularmente ventajoso ya que permite un requisito de espacio vertical, en la columna desplazada 63, que es menor que cuando se usa un resorte. De forma idéntica a la primera variante, la carga aplicada a la pluralidad de arandelas Belleville también se relaciona con la longitud del dispositivo comprimible, correspondiente al aplanamiento (retracción) y/o la expansión (alargamiento) del conjunto de arandelas.

Por supuesto, el dispositivo comprimible calibrado no se limita a las dos variantes mencionadas anteriormente y, alternativamente, podría formarse por un resorte de gas o cualquier elemento elástico (elastómero, etc.), que permita la retracción y el alargamiento del orden de magnitud citado anteriormente, para las cargas aplicadas tales como se indicó anteriormente.

El sistema comprimible 6 de acuerdo con la invención incluye además un sensor de presión 67 conectado a la segunda cámara 64 capaz de medir la presión en dicha segunda cámara 64. Al tener en cuenta las relaciones de superficie entre la punta 11 y los pistones primero 62 y segundo 65, se puede de esta manera extraer de la medición que se realiza por el sensor de presión 67, la presión que actúa al nivel de la punta 11, representativa de resistencia del suelo.

Alternativamente, el sistema comprimible 6 puede comprender un sensor de desplazamiento 68, en lugar o además del sensor de presión 67 que se menciona anteriormente. Este sensor de desplazamiento 68 es capaz de medir la longitud del dispositivo comprimible calibrado 66 durante su extensión o su retracción, durante la inserción del par tubo 2/varilla 1 en el suelo. Esta longitud l es representativa de la resistencia del suelo, a la que puede conectarse por una relación de proporcionalidad: R~k*L, en donde k es la rigidez del dispositivo comprimible 66 y R la resistencia del suelo.

El penetrómetro 100 de acuerdo con la invención, que se provee del sistema comprimible 6, permite por tanto medir la resistencia del suelo de forma continua, conforme la inserción en modo estático del par tubo 2/varilla 1 en el suelo. Ventajosamente, el o los sensores 67, 68 comprenden un sistema de registro para recoger las mediciones de forma continua durante la inserción. A modo de ejemplo, el sensor de presión 67 podrá llevar a cabo una medición de todas las décimas de segundos o incluso todos los segundos de la presión en la segunda cámara 64.

La configuración del sistema comprimible 6 con columna desplazada 63 permite aligerar y simplificar el montaje formado por la celda de medición 3 y el tren de tubos 2/varilla 1, que debe mantenerse de acuerdo con el eje de inserción (paralelo al eje de la sarta de varillas). En efecto, la alternativa a esta configuración, que consistiría en posicionar el dispositivo comprimible calibrado 66 directamente entre la celda de medición 3 y la varilla central 1, requiere mantener dicho dispositivo 66 en el eje de inserción y aumenta el tamaño del penetrómetro.

Ventajosamente, la columna desplazada 63 comprende un tornillo de ajuste 69 configurado para variar el volumen de la segunda cámara 64 al moverse en la columna desplazada 63. Preferiblemente, el tornillo de ajuste 69 se acciona por un motor 70 controlado y dirigido por un controlador electrónico. De este manera, puede controlarse el desplazamiento y la velocidad de desplazamiento del tornillo de ajuste 69. Observemos que por tornillo de ajuste se entiende cualquier medio operado manual o automáticamente, capaz de llevar a cabo un movimiento de traslación en la columna 63 para modificar el volumen de la segunda cámara 64. Por ejemplo, un pistón de cilindro podría también corresponder a dicho tornillo de ajuste 69.

Al hacer variar el volumen de la segunda cámara 64, el tornillo 69 comprimirá más o menos el dispositivo comprimible calibrado 66 y aplicará más o menos presión sobre la varilla central 1 (a través del primer pistón 62) debido a la comunicación entre las habitaciones 64, 61. El tornillo de ajuste 69 permite de esta manera adaptar la carrera de la punta 11, entre una posición que sale y su posición retraída, en función con la masa de reacción usada. El bloque de reacción se describe a continuación junto con los medios de soporte 4 de inserción en modo estático del par tubo 2/varilla 1.

Preferiblemente, el penetrómetro estático 100 de acuerdo con la invención también comprende medios de soporte 4, que se adaptan para aplicar una fuerza F a la celda de medición 3, y que permiten llevar a cabo una inserción en el suelo en modo estático del par formado por el tubo hueco 2 y la varilla central 1. La fuerza F se aplica a una parte externa 3b de la celda 3.

Los medios de soporte podrán comprender, en particular, al menos un cilindro hidráulico capaz de desarrollar una potencia de entre 5 y 15 toneladas. Una parte 41 del cilindro se fija a la parte externa 3b de la celda 3 y le aplica a esta la fuerza necesaria para la inserción continuo del par tubo 2/varilla 1. Otra parte 42 del cilindro debe fijarse directa o indirectamente a un bloque de reacción 200.

Los medios de soporte 4 podrán comprender una unidad hidráulica automotor, para accionar el cilindro 41,42.

Ventajosamente, los medios de soporte 4 se sujetan mediante un bastidor 5. El bastidor 5 se provee de al menos un elemento de conexión mecánica destinado a conectarse a un bloque de reacción 200. Este elemento de conexión mecánico podrá consistir, por ejemplo, en una pinza hidráulica o mecánica, o incluso un torno del mismo tipo. El hecho de que el bastidor 5 se equipa con dicho elemento de conexión mecánica hace que sea conectable a cualquier tipo de masa de reacción 200: grúa, pala mecánica, vehículo pesado, etc.

Preferiblemente, el penetrómetro 100 comprende medios adicionales de inserción 8 capaces de aplicar en el tubo hueco 2 una vibración a una frecuencia determinada. Veremos más adelante que esta vibración, que se aplica temporalmente durante la inserción cuando se encuentra un suelo de alta resistencia, ayuda a continuar la inserción en modo estático, sin necesidad de un bloque de reacción 200 sobredimensionado ni del uso de una asistencia dinámica que impida toda medición precisa de la resistencia del suelo.

Ventajosamente, estos medios adicionales 8 se acoplan a una parte interna 3a de la celda 3 que está fija con el tubo hueco 2. La vibración aplicada a la parte interna 3a se transmite de esta manera al tubo hueco 2.

La primera cámara 61 se forma en esta parte interna 3a. Se prevé que la parte interna 3a pueda moverse de acuerdo con el eje de inserción en la parte externa 3b de la celda de medición 3. Cuando la vibración se aplica a la parte interna 3a, esta última es de esta manera libre de oscilar al limitar la transmisión de la vibración a la parte externa 3b fija con los medios de soporte 4.

En la primera modalidad que se ilustra en la Figura 1, el caño flexible 614a se conecta directamente a la primera cámara 61 a través de un primer orificio previsto en la parte interna 3a. Un segundo orificio que se dispone en la parte externa 3b de la celda 3 permite que el caño flexible 614a se conecte a la segunda cámara 64 y dejará la latitud suficiente para acomodar la oscilación de la parte interna 3a cuando se le aplica una vibración.

En la segunda modalidad que se ilustra en la Figura 2, las juntas 3c se disponen entre la parte interna 3a y la parte externa 3b de la celda 3 y definen un espacio anular sellado 3d entre las dos partes 3a, 3b. Un primer orificio en la parte interna 3a establece una comunicación de fluidos entre la primera cámara 61 y el espacio anular 3d; un segundo orificio en la parte externa 3b establece una comunicación de fluidos entre el espacio anular 3d y el conducto 614b, que se conecta a dicho segundo orificio, asegura la comunicación con la segunda cámara 64. Esta configuración de conexión de fluidos evita que el tubo rígido 614b se someta a las vibraciones aplicadas a la parte interna 3a por los medios adicionales 8, susceptibles de degradarla. Tal configuración también podrá implementarse en la modalidad ilustra en la Figura 1, en la que el sistema comprimible 6 comprende un conducto flexible 614a, pero presenta menor interés, que es el conducto flexible 614a capaz de soportar vibraciones.

El penetrómetro de acuerdo con la invención puede por tanto recurrir a la asistencia vibro-dinámica, que mantiene una inserción en modo estático y una medición continua y precisa a través del sistema comprimible 6, representativa de la dureza del suelo.

A modo de ejemplo, los medios adicionales de inserción 8 se componen por al menos un dispositivo hidráulico, neumático o eléctrico (u otra fuente de energía) de vibro-accionamiento, que proporciona energía mecánica por impulso, a una frecuencia determinada. Preferiblemente, la frecuencia determinada de la vibración se comprende entre 35 y 100 Hz. Y la energía unitaria, es decir en cada impulso o golpe, se desarrolla por los medios adicionales de inserción que se comprende entre 25 y 400 Joules.

Cabe señalar que la configuración del sistema comprimible 6 con columna desplazada 63 hace más fiable dicho sistema comprimible 6, cuyas partes mecánicas (en particular, el dispositivo comprimible calibrado 66) no se someten directamente a la vibración susceptible de aplicarse para la inserción de la sarta de tubos 2/varilla 1, ya que se disponen en la columna desplazada 63 (o la segunda columna desplazada 63').

El penetrómetro 100 puede comprender además un controlador electrónico capaz de analizar las mediciones del (de los) sensor(es) 67,68, de accionar el tornillo de ajuste 69 (por ejemplo, a través del motor 70), y de activar o desactivar los medios adicionales de inserción 8, de acuerdo con los criterios programados o definidos por un operador durante la prueba.

Medición de la resistencia del suelo en modo estático.

El penetrómetro 100 de acuerdo con la presente invención puede usarse para medir la resistencia a la penetración de un suelo, en particular, de acuerdo con el método de medición en modo estático que se describe a continuación. Para realizar una prueba, el bastidor 5 del penetrómetro 100 se conecta a una masa de reacción 200. La fuerza máxima de soporte que podrá aplicarse a la celda de medición 3 para la inserción del par tubo 2/varilla 1 se define por la masa de dicho bloque de reacción 200. Si, durante la prueba, la punta 11 encuentra un suelo cuya resistencia supera la fuerza de soporte máxima, el penetrómetro 100 puede recurrir a la asistencia vibro-dinámica gracias a los medios adicionales de inserción 8. Para evitar averiar la varilla 1, es significativo que la punta 11 esté en posición apartada (es decir en apoyo contra el tubo hueco 2) cuando se implementa la asistencia vibro-dinámica.

El tornillo de ajuste 69 del sistema comprimible 6 permite adaptar el recorrido de la punta 11 al bloque de reacción 200, de manera que dicha punta 11 se encuentra en posición retraída cuando la resistencia del suelo alcanza la máxima fuerza de apoyo.

Tras este ajuste, el método de medición comprende en primer lugar la inserción en el suelo en modo estático (inserción continua y regular) del par formado por el tubo hueco 2 y la varilla central 1, a una velocidad de inserción dada. La velocidad de inserción en modo estático se comprende entre 1 y 5 cm/s; ventajosamente, para cumplir con los estándares de mediciones actuales, la velocidad de inserción es del orden de 2 cm/s.

Durante esta inserción, el método prevé la medición, por el sensor de presión 67, de la presión en la segunda cámara 64 del sistema comprimible 6. Esta medición de presión permite trazar la resistencia puntual del suelo (Qc), para sucesivas profundidades de inserción en el suelo.

Cuando la punta de medición 11 encuentra un suelo muy resistente, para el cual se alcanza la máxima fuerza de apoyo, la punta 11 se encuentra en su posición retraída (es decir en apoyo contra el tubo hueco 2). El método prevé entonces la aplicación, por los medios adicionales de inserción 8, de un vibro-accionamiento a una frecuencia determinada. Como se mencionó anteriormente, la frecuencia determinada se comprende preferentemente entre 35 y 100 Hz, y la energía unitaria (por impulso) se comprende entre 25 y 400 Joules. La vibración aplicada, que se transmite al tubo hueco 2, ya sea directamente o a través de la parte interna 3a de la celda de medición 3, permite ayudar al paso de capas de suelo particularmente duras.

La aplicación de una vibración gracias a los medios adicionales de inserción permite atravesar esta capa, hasta llegar a una capa de menor dureza. En este momento, el dispositivo comprimible 66 se alargará, la punta de medición 11 en el cabo de la varilla 1 encuentra una menor resistencia. Los medios adicionales de inserción 8 se desactivan entonces y se reanuda la inserción en modo estático.

El método de acuerdo con la invención permite de esta manera medir la resistencia del suelo de forma continua y sin interrupción porque el paso de las capas duras en profundidad se realiza gradualmente, por vibro-accionamiento. Tan pronto como disminuye la dureza del suelo, la medición por el o los sensores 67,68 del sistema comprimible 6 permite obtener un valor de resistencia del suelo. No se pierde de esta manera ninguna información sobre las características del suelo, que se miden de forma continua a través de las variaciones de presión en la segunda cámara 64 del sistema comprimible 6 y/o a través de las variaciones de longitud del dispositivo comprimible calibrado 66.

Ventajosamente, se configura un controlador electrónico para registrar las mediciones provenientes del o de los sensores (presión 67 y/o desplazamiento 68) y para activar o desactivar los medios adicionales de inserción 8. También puede configurarse para controlar los medios de soporte 4 y controlar la fuerza F aplicada a la celda de medición 3, a la velocidad de inserción del par tubo 2/varilla 1 en el suelo.

Observemos que el primer y el segundo modo de implementación del penetrómetro 100 (Figuras 1 y 2) se adaptan a la modalidad del presente método para medir la resistencia de un suelo en modo estático.

Evaluación de la tipografía licuable de un suelo

El penetrómetro 100 de acuerdo con la presente invención también puede usarse para evaluar la tipografía licuable de un suelo, en particular, que aplica el método que se describe a continuación.

El método comprende una primera etapa a) que consiste en hundir el par de tubo 2/varilla 1 en el suelo para llevar la punta de medición 11 a una profundidad dada para la investigación de la topografía licuable. Los medios de soporte 4, a través de la celda 3, permiten realizar esta inserción a la profundidad dada.

Después de que la punta de medición 11 haya alcanzado la profundidad dada, es importante que no se salga completamente en su posición: la carrera de la punta 11 podrá entonces adaptarse a través del tornillo de ajuste 69 del sistema comprimible 6 (al hacer variar el volumen de la segunda cámara 64).

A partir de ahí, se sujeta el dispositivo comprimible calibrado 66, para que permanezca en longitud constante para las siguientes etapas del método.

Una segunda etapa b) del método consiste en inducir, a partir de la profundidad dada, una primera inserción controlada de la punta de medición 11 en el suelo. Al bridarse el dispositivo comprimible calibrado 66, el accionamiento del tornillo de ajuste 69 por el motor 70 controlado y dirigido permite reducir el volumen de la segunda cámara 64 y de esta manera aumentar la presión contra el primer pistón 62 para inducir un primer desplazamiento de la varilla 1 (correspondiente a la primera inserción controlada de la punta 11). Por ejemplo, la primera inserción es de 10 mm y se realiza a una velocidad constante de 2 cm/s.

La presión aplicada (presión que se mide a través del sensor de presión 67) para llevar a cabo dicha primera „2 cm/s

inserción "c es representativa de la resistencia del suelo y da una resistencia máxima . Preferiblemente, después de la primera inserción, la presión en la segunda cámara 64, cuando se detiene (representativa de la resistencia Q^{a r ré t}

^c _{máxima cuando se detiene ) también se mide.}

q 2 cm/s parré t

Los valores y Ve extraídos de las mediciones en el paso b) constituyen el punto de partida de la prueba para evaluar la topografía licuable de la capa de suelo investigada.

Una tercera etapa c) del método consiste en aplicar una vibración de baja frecuencia al segundo extremo 12 de la varilla central 1 y simultáneamente hacer que lleve a cabo un segundo desplazamiento que induce una segunda inserción controlada de la punta 11 en el suelo. Dicha vibración de baja frecuencia se aplica mediante el tornillo de ajuste 69, que al disminuir gradualmente el volumen de la segunda cámara 64 mediante movimientos hacia adelante y hacia atrás a la frecuencia elegida, aplicará la vibración y generará la segunda inserción.

La baja frecuencia elegida se comprende entre 1 y 5 Hercios, frecuencias características de los sismos. El objetivo aquí es aplicar tensiones locales susceptibles para modificar las propiedades de la capa del suelo, como podría hacerlo un terremoto. La segunda inserción de la punta 11 en la capa de suelo se lleva a cabo mientras está bajo tensión vibratoria. Por ejemplo, la segunda inserción podrá ser de 30 mm.

La presión aplicada para llevar a cabo la segunda inserción es representativa de la resistencia máxima ^qc durante esta segunda inserción controlada.

Ventajosamente, la velocidad de la segunda inserción se ajusta para mantener la presión aplicada sustancialmente constante, gracias a un control del motor que acciona el tornillo de ajuste 69. Por tanto, la segunda inserción se realiza ventajosamente con una carga constante (fuerza aplicada). En particular, una fuerza aplicada tiene como ^.2 cm /s objetivo sustancialmente igual al valor de la fuerza aplicada representativa de la resistencia máxima que se mide en la etapa b). Por tanto, la velocidad de la segunda inserción aumenta o disminuye automáticamente en función de la presión medida durante la etapa c), con el objetivo de mantener esta última sustancialmente constante. La velocidad a la que se lleva a cabo la segunda inserción, con fuerza constante, da una indicación importante de la topografía repentina de la pérdida de resistencia de la capa de suelo bajo tensión vibratoria.

Pueden surgir varios escenarios, de acuerdo con de las propiedades de la capa de suelo analizada. Las propiedades de resistencia de la capa de suelo pueden cambiar muy lentamente bajo la solicitación vibratoria: la segunda inserción se lleva a cabo entonces a baja velocidad. En tal caso, parece que la capa de suelo no se modifica repentinamente con una tensión vibratoria. De acuerdo con otro escenario, la capa de suelo puede perder muy rápidamente su resistencia bajo la tensión vibratoria: la segunda inserción se lleva a cabo entonces a una velocidad elevada. Los riesgos en caso de sismo en los dos escenarios mencionados son claramente diferentes: las precauciones y especificaciones sobre los cimientos de las estructuras construidas podrán adaptarse a cada caso. Cuando se completa la segunda inserción controlada, se detiene la vibración.

La cuarta etapa d) del método prevé accionar el tornillo de ajuste 67 para provocar una tercera inserción controlada de la punta de medición 11 en el suelo, preferiblemente a una velocidad constante.

Por ejemplo, la tercera inserción puede ser de 10 mm, que se realiza a una velocidad de 2 cm/s.

Durante la etapa d), en ausencia de solicitación vibratoria, la capa de suelo puede ver cambiar su resistencia de diferentes maneras, de acuerdo con de las características de dicha capa.

De acuerdo con un primer comportamiento, una capa que ha perdido rápidamente su resistencia bajo solicitación p 2 cm/s

vibratoria puede, en ausencia de ésta última, recuperar su resistencia inicial ^{X f :} es un suelo de comportamiento licuable.

De acuerdo con un segundo comportamiento, una capa que ha perdido rápidamente su resistencia bajo solicitación vibratorio podrá, en ausencia de este último, volver durante la tercera inserción controlada a una resistencia ^Qc p.2 cm/s

inferior a su fuerza inicial ^{^ c} : esto puede reflejar un fenómeno del tipo de grande deformación, al tener que modificarse irreversiblemente las propiedades de resistencia de la capa de suelo por la vibración.

Finalmente, de acuerdo con un tercer comportamiento, una capa que ha perdido rápidamente su resistencia bajo tensión vibratoria podrá, en ausencia de este último, volver durante la tercera inserción controlada a una resistencia f *2cm/s

^{Q c} superior que su fuerza inicial *^c ; esto puede reflejar un fenómeno de densificación, al tener que reforzar la resistencia de la capa de suelo por la vibración.

Las etapas a) a d) podrán repetirse para otras profundidades de investigación dadas, para analizar capas de suelo sucesivas incluidas en una zona sospechosa de mayor o menor espesor.

El método mencionado y el penetrómetro 100 de acuerdo con la invención permiten de esta manera evaluar la topografía licuable de la capa de suelo analizada, a partir de la velocidad de la modalidad de la segunda inserción. La disminución más o menos repentina de la resistencia del suelo bajo solicitación vibratoria es un criterio clave de la topografía licuable. Puede obtenerse también informaciones importantes sobre las propiedades de carga de la capa de suelo analizada, después de una solicitación vibratoria, que permite anticipar posibles modificaciones irreversibles de la resistencia del suelo.

Observemos que el penetrómetro 100 de acuerdo con el modo de implementación (Figura 2) se usará para realizar este método, la comunicación de fluidos rígida y corta entre la segunda cámara 64 y la primera cámara 61, se adapta más a una aplicación eficaz de la solicitación cíclica (vibración de baja frecuencia) al pistón 62 (en conexión con la varilla 1), mediante el tornillo de ajuste 69.

Medición de las propiedades elastoplásticas de un suelo

El penetrómetro 100 de acuerdo con la presente invención también puede usarse para medir las propiedades elastoplásticas de un suelo, en particular que aplica el método que se describe a continuación.

Primero que todo, el método que comprende una primera etapa a) consiste en hundir en el suelo la capa formada por el tubo hueco 2 y la varilla central 1 para llevar la punta de medición 11 a una profundidad deseada de la medición de propiedades elastoplásticas del suelo. Al llegar a dicha profundidad, se borra la punta de medición 11, es decir, se coloca a tope contra el tubo hueco 2, mediante el tornillo de ajuste 69 (es decir, al hacer variar el volumen de la segunda cámara 64).

A partir de ahí, se sujeta el dispositivo comprimible calibrado 66, para que permanezca en longitud constante para las siguientes etapas del método.

El método comprende una segunda etapa b) durante el cual una primera fuerza F-iconstante se aplica a un segundo extremo 12 de la varilla 1, durante una duración determinada t. Recordemos que puede aplicarse una fuerza al primer pistón 62 en conexión con la varilla 1, a través del tornillo de ajuste 69 que puede variar la presión en la segunda cámara 64 y en la primera cámara 61 (que las dos cámaras 61,64 estén en comunicación de fluidos). La fuerza constante F-iaplicada se transmite por la varilla 1 a la punta de medición 11, que se hundirá más o menos en el suelo, de acuerdo con las características mecánicas de este último.

La primera fuerza F1 aplicada podrá comprenderse entre 100N y 500N; que se considera una sección de 10 cm2 de la punta de medición 11, esto corresponde a una tensión aplicada que se comprende entre 1 y 5 bars.

En una tercera etapa c) del método, se mide un primer desplazamiento final ⁿ 1 ^l , que se asocia a la inserción de la punta de medición 11 en el suelo, después de la duración determinada t. Se califica aquí de “final” un desplazamiento correspondiente al desplazamiento observado al final de la duración determinada t.

El método prevé entonces la reiteración de las etapas b) y c), con fuerzas aplicadas crecientes, para formar una curva que representa el desplazamiento final en función de la fuerza aplicada. De esta manera, una segunda fuerza F2 constante, mayor que F1, se aplica al segundo extremo 12 de la varilla 1, durante la duración determinada t. Se realiza una medición del segundo desplazamiento final ^D 2 ⁱ , que se asocia a la inserción de la punta de medición 11 en el suelo, después de la duración determinada t. Tenga en cuenta que este segundo desplazamiento final D¡ n t

corresponde a la acumulación de la primera jugada final ^ 1 y el desplazamiento adicional provocado por la aplicación de la segunda fuerza F2. Una tercera fuerza Fsconstante, mayor que F2, entonces se aplica, siempre por la duración determinada t, luego una medición del tercer desplazamiento final ^{D t} 3 se realiza al cabo de dicha duración t, y de esta manera sucesivamente.

Ventajosamente, el incremento entre dos fuerzas aplicadas sucesivas se comprende entre 100 y 500N.

La duración determinada t podrá variar entre 15 y 600 segundos; se define preferentemente en t=60s porque esta duración es coherente con el enfoque metodológico de las pruebas conocidas con presiómetro.

La secuencia de aplicar una fuerza y medir el desplazamiento final se repite n veces (aplicación de una enésima fuerza Fn constante, mayor que Fn-i, y medición de un enésimo desplazamiento final ^{D n t )} hasta alcanzar la tensión de rotura del suelo Qc. La tensión de rotura del suelo corresponderá a una fuerza Fn que origina un desplazamiento final D n t máximo debido a la inserción significativa de la punta de medición 11. Recordemos que la fuerza Fn se vincula a la tensión mediante la relación: Qc=Fn/S, S que es la superficie de la sección plana de la punta de medición 11 (por ejemplo, 10 cm2).

En la práctica, el desplazamiento máximo representativo de la rotura del suelo se define en torno a 5 cm (amplitud de salida de la punta 11 con respecto a su posición retraída contra el tubo hueco 2).

Al final de las etapas anteriores, puede trazarse una curva que representa el desplazamiento final en función de la fuerza aplicada. La curva se forma por un primer campo correspondiente a las deformaciones elásticas del suelo. Se forma, tras un punto de inflexión, por un segundo campo correspondiente a las deformaciones plásticas del suelo, hasta alcanzar el punto de rotura (Qc).

El método comprende entonces la extracción el módulo de deformación M del suelo a partir de la pendiente de la curva desplazamiento/fuerza final, en el primer campo de deformación elástica situado antes del punto de inflexión. La pendiente p de la curva en el primer campo elástico E se expresa:

(observemos que D 3t y Fase dan aquí a modo de ejemplo, se usa el principio un par final desplazamiento/fuerza, en el sector elástico, que permita calcular de forma precisa la pendiente de dicho sector)

El módulo de deformación M, en MPa/m, se calcula a partir de la expresión:

con p la pendiente del primer campo elástico y S la superficie de la sección plana de la punta de medición 11. El módulo de esta manera extraído permite modelar el asentamiento del suelo bajo carga.

El método también permite determinar la tensión de fluencia (Qf), el límite elástico del suelo. En efecto, a partir de la curva final de desplazamiento/fuerza, la fuerza Ff correspondiente al punto de inflexión, refleja dicha tensión de fluencia Qf.

La tensión de fluencia se expresa:

con Ffla fuerza correspondiente al punto de inflexión y S la superficie de la sección plana de la punta de medición 11.

A partir de la tensión de fluencia Qf, podría estimarse, a modo de seguridad, un valor de tensión admisible Qa en A Qf, lo que colocaría la tensión admisible Qa en la parte mediana del campo elástico E. Recordemos que la tensión admisible Qa se usa para el dimensionamiento de los cimientos de la estructura.

De acuerdo con otro enfoque, en función del asentamiento admisible de la estructura propuesta, podría asignarse un valor a la tensión admisible Qa, siempre menor que la tensión de fluencia Qf, que se ubica en el primer campo elástico, y correspondiente en la curva, a un desplazamiento igual al asentamiento admisible conocido. Recordemos que tradicionalmente, la tensión admisible Qa se evalúa sobre la base de una fracción de la tensión de rotura Qc: Qa = Qc/10; el coeficiente 10 se establece de forma semi-empírica y de forma extremadamente segura. El presente método da un valor de la tensión admisible Qa basada en la gestión del asentamiento admisible frente a la estructura, lo que la hace mucho más relevante.

El penetrómetro 100 de acuerdo con la invención permite por lo tanto una medición in situ para reconstituir directamente la relación acción/reacción de un conjunto cimentación/suelo que da acceso al comportamiento efectivo bajo carga del suelo: capacidad portante, asentamiento, fluencia en el tiempo.

Observemos que el penetrómetro 100 de acuerdo con el segundo modo de implementación (Figura 2) se usará preferencialmente por estas mediciones elastoplásticas, la comunicación de fluidos rígida y corta entre la segunda cámara 64 y la primera cámara 61 se adapta más a una aplicación eficaz de secuencias de fuerza/desplazamiento en el pistón 62 (en conexión con la varilla 1) mediante el tornillo de ajuste 69.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Penetrómetro (100) que comprende:

- al menos una varilla central (1) terminada en un primer extremo por una punta de medición (11);

- al menos un tubo hueco (2) que rodea la varilla central (1), esta última es capaz de deslizarse por el interior del tubo hueco (2);

- Una celda de medición (3) en contacto con el tubo hueco (2), que se destina a transmitir una fuerza aplicada por unos medios de soporte (4), para provocar una inserción en modo estático en el suelo del tubo hueco (2) y la varilla central (1); dicho penetrómetro (100) que comprende un sistema comprimible (6) que asegura una conexión elástica entre la celda de medición (3) y un segundo extremo (12) de la varilla central (1), dicho penetrómetro (100) se caracteriza porque dicho sistema comprimible (6) incluye:

- Una primera cámara (61) de aceite formada en la celda de medición (3), y un primer pistón (62) fijo a un segundo extremo (12) de la varilla central (1) y capaz de deslizarse en la primera cámara (61);

- Al menos una columna (63) desplazada con respecto al eje de la varilla central (1), que comprende una segunda cámara (64) de aceite en comunicación de fluidos con la primera cámara (61), un segundo pistón (65) capaz de deslizarse en la segunda cámara (64) y un dispositivo comprimible calibrado (66) en contacto con el segundo pistón (65);

- Un sensor de presión (67) conectado a la segunda cámara y/o un sensor de desplazamiento (68) capaz de medir la longitud del dispositivo comprimible calibrado (66).

2. Penetrómetro de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la comunicación de fluidos entre la primera cámara (61) y la segunda cámara (64) se realiza mediante un caño flexible (614a).

3. Penetrómetro de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la comunicación de fluidos entre la primera cámara (61) y la segunda cámara (64) se realiza mediante un conducto rígido (614b).

4. Penetrómetro de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que:

- la celda de medición (3) comprende una parte interna (3a), una parte externa (3b) y un espacio anular sellado (3d) entre la parte interna (3a) y la parte externa (3b),

- la primera cámara (61) se forma en la parte interna (3a) y puede comunicarse con el espacio anular (3d) a través de un primer orificio,

- el conducto rígido (614b) se fija a la parte externa (3b) que comprende un segundo orificio de comunicación con el espacio anular (3d).

5. Penetrómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la columna desplazada (63) comprende un tornillo de ajuste (69) configurado para hacer variar el volumen de la segunda cámara (64) desplazándose en la columna desplazada (63).

6. Penetrómetro de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que el tornillo de ajuste (69) es accionado por un motor (70) controlado y dirigido por un controlador electrónico.

7. Penetrómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios adicionales de inserción (8) capaces de aplicar al tubo hueco (2) una vibración a una frecuencia determinada.

8. Penetrómetro de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que los medios adicionales de inserción (8) se componen por al menos un dispositivo hidráulico, neumático eléctrico de accionamiento vibratorio.

9. Penetrómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo comprimible (66) se forma por un resorte calibrado o por una pluralidad de arandelas Belleville.

10. Penetrómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende los medios de soporte (4) capaces de aplicar una fuerza a la celda de medición (3), para llevar a cabo una inserción en el suelo en modo estático del tubo hueco (2) y de la varilla central (1).

11. Penetrómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un bastidor (5) provisto de al menos un elemento mecánico de conexión destinado a conectarse a una masa de reacción (200).

12. Penetrómetro de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la carrera de la punta de medición (11) con respecto a un extremo del tubo hueco (2) se define por la variación del volumen de la segunda cámara (64) y se adapta a la masa de reacción (200).

13. Uso del penetrómetro (100) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, para medir la resistencia a la penetración de un suelo; o para la evaluación de la capacidad de licuación de un suelo o para la medición de las propiedades elastoplásticas de un suelo.