¿Qué es el ensayo SPT?
Este ensayo se lleva a cabo en una perforación y consiste, fundamentalmente, en registrar el número de golpes necesarios para hincar un sacamuestras tipo cuchara partida de 2" de diámetro, 30 cm dentro del terreno. Esto se logra mediante la caída libre de un martillo de 140 lb desde una altura de 76 cm. El ensayo sigue normas estandarizadas, siendo las más utilizadas las especificaciones ISO-22476-3 y ASTM-D-1586. La Figura 1 muestra un esquema sencillo del ensayo.
Figura 1: El ensayo SPT.
Ventajas y desventajas del ensayo SPT
Como todo ensayo, el SPT presenta ventajas y desventajas:
Desventajas:
- La muestra obtenida es altamente perturbada.
- El ensayo es particularmente deficiente y presenta gran variabilidad para el caso de arcillas blandas y limos.
- Los resultados son altamente dependientes del operador y del equipo utilizado.
Ventajas:
- Obtención de muestras: Permite obtener una muestra para ser ensayada en laboratorio, esto permite tener, una vez realizados los ensayos, la clasificación de toda la columna de suelo.
- Rapidez y economía: Es un ensayo relativamente rápido y económico, ya que se realiza en perforaciones que de todas maneras se llevarían a cabo.
- Disponibilidad de equipos: La mayoría de los equipos de perforación comerciales incluyen los accesorios necesarios para realizar el ensayo.
Estas tres ventajas quizá sean la clave por la cual el ensayo SPT, a pesar de las desventajas y limitaciones que tiene, sigue siendo el ensayo más ampliamente realizado alrededor del mundo en estudios geotécnicos rutinarios.
¿Por qué es necesario corregir los registros obtenidos durante el ensayo SPT?
Si se conocen las principales ventajas y desventajas y, además, se realiza el ensayo según la normativa vigente, ¿por qué debemos corregir los resultados obtenidos?. Esta es una pregunta que pocos ingenieros y técnicos se hacen, y generalmente aplican la corrección de manera automática. Antes de revisar los factores de corrección, es importante aclarar la razón detrás de estas correcciones.
Uno de los principales motivos para corregir los valores de NSPT es su baja repetibilidad. Esto significa que si se ejecutan dos ensayos en ubicaciones cercanas (entre 3 y 5 metros de distancia), con equipos y operadores diferentes, los resultados obtenidos pueden ser distintos.
Factores que afectan la repetibilidad del ensayo SPT
Los principales aspectos que influyen en la repetibilidad y afectan, por ende, los resultados obtenidos en el ensayo SPT, son los siguientes (Coduto, 2001):
- Método de perforación.
- Qué tan bien se limpia el fondo de la perforación antes del ensayo.
- Diámetro de la perforación.
- Tipo de martillo (donut – martillo de seguridad – automático).
- Número de vueltas del mecate alrededor del tambor (en el caso de equipos antiguos).
- Altura real de caída del martillo sobre el cabezote.
- Efecto de la masa del yunque o cabezote donde el martillo golpea, justo encima de las barras.
- Fricción en las guías y poleas por donde se instala el mecate.
- Desgaste en la punta del muestreador tipo cuchara partida.
- Presencia o ausencia de irregularidades dentro del muestreador.
- Rata de aplicación de los golpes, que depende mucho del perforador en el caso de equipos manuales, más antiguos.
- Experiencia de perforadores y ayudantes.
Es evidente que son muchos los aspectos que pueden afectar el resultado del ensayo. Algunos dependen del perforador, otros del buen estado y mantenimiento del equipo de perforación, otros del uso dado a las herramientas de perforación, y otros del tipo de equipo empleado para ejecutar la perforación.
Es por eso que, a fin de minimizar el efecto de estos factores, se llevan a cabo diferentes correcciones a los valores de NSPT de campo, de manera de compensar, al menos parcialmente, los errores asociados a la ejecución del ensayo.
Corrección de los valores NSPT
Para corregir los valores de NSPT en campo, se utiliza la siguiente ecuación:
Siendo Em = factor de corrección por eficiencia energética del martillo; CB = factor de corrección por el diámetro de la perforación; CS = factor de corrección por el muestreador; CR = factor de corrección por la longitud de barra; NSPT = valor de SPT registrado en campo; X = eficiencia energética durante el ensayo.
Adicionalmente, para el caso de arenas, el valor de NX debe ser corregido por confinamiento.
En las próximas secciones se presentará información sobre cada uno de los factores de corrección antes mencionados.
Factores de corrección asociados a la perforación, barras y muestreador
El principal objetivo de aplicar factores de corrección asociados al diámetro de perforación CB, el tipo de muestreador CS, y la longitud de la barra CR, es tomar en consideración los efectos de disipación de la energía transmitida por el martillo al sistema durante el proceso de hincado.
De acuerdo a ello, a partir de mediciones realizadas en campo en equipos debidamente instrumentados (Skempton, 1986; Youd & Idriss, 2001; Seed et al, 2003), en la Tabla 1 se presentan los valores recomendados para los factores antes mencionados.Tabla 1: Valores recomendados para factores CB, CS y CR (Fuente: Das, 2012).
Resulta evidente la importancia de definir adecuadamente el diámetro de la perforación y el tipo de muestreador empleado para seleccionar los valores de los factores CB y CS de manera adecuada.
En relación con el factor CR, cabe mencionar que su valor será variable, dependiendo de la profundidad a la que se realiza el ensayo, la cual está directamente relacionada con la longitud de la barra desde el cabezote de hinca hasta el muestreador.
Corrección por energía
Algo muy importante a tener en cuenta, a fin de comprender el porqué de esta corrección, es que durante el ensayo el martillo de hinca transmite energía al sistema de barras al golpear el cabezote (ver Figura 1), y que esta energía transmitida por el equipo varía dependiendo del tipo de equipo utilizado y el desgaste del mismo, el tipo de martillo, el número de vueltas del mecate en el tambor, la altura de caída del martillo, y las características del operador, por mencionar los factores más influyentes.
Típicamente, la relación de energía transmitida a las barras es del orden de 50% a 60% del valor teórico máximo de 475 J, aún cuando en la práctica este valor puede variar de 30% a 90%, dependiendo del perforador y el equipo que se emplee para realizar el ensayo SPT (Kulhawy & Mayne, 1990). De acuerdo con lo anterior, es clara la necesidad de corregir el valor de NSPT para considerar la energía transmitida a las barras.
El valor de NX corregido por energía viene dado por la siguiente expresión, cuyos términos ya fueron explicados anteriormente:
Algo muy importante a destacar es que, puesto que la mayoría de las correlaciones basadas en el ensayo SPT fueron desarrolladas para una eficiencia de alrededor de 60%, el valor de NSPT debe ser corregido en base a dicha eficiencia.
Otro aspecto a considerar es que, por supuesto, la mejor manera de determinar el valor de NX es mediante la instrumentación del equipo con el que se efectúa el ensayo SPT con dispositivos que permitan medir la energía transmitida al sistema durante el ensayo. Sin embargo, esta práctica es poco usual en muchos países del mundo, sobre todo debido a las limitaciones económicas asociadas a la adquisición de los equipos para efectuar dicha medición.
Es por eso que, a fin de contar con información para efectuar la corrección por energía en proyectos geotécnicos rutinarios, Skempton (1986) revisó la data de calibración de ensayos SPT realizados en Japón, China, Reino Unido y Estados Unidos, y sugirió factores de corrección basados en la práctica estándar en esos países. Coduto (1994) complementó esta información incluyendo información sobre países como Argentina, Brasil, Colombia y Venezuela. Posteriormente, estos factores fueron revisados y actualizados por Robertson & Write (1998, CP Youd & Idriss, 2001) y por Seed et al (2003), incorporando información obtenida para diferentes tipos de martillos empleados en equipos modernos. De estos estudios y actualizaciones surge la Tabla 2, que permite determinar valores referenciales del factor Em, recomendados para emplear en la práctica rutinaria en base al tipo de martillo utilizado durante la realización del ensayo SPT.
Tabla 2: Valores referenciales recomendados para el factor Em (Fuente: tomado de Das, 2012).
Resulta oportuno mencionar que el calificativo “referenciales”, está asociado al hecho de que los valores mostrados en la tabla anterior son valores sugeridos. Siempre priva la información local que pueda existir en diferentes lugares, y también la supervisión.
Por ejemplo, Amundaray (2006) menciona que para Venezuela se recomienda considerar Em = 0.45, lo que implicaría que la relación Em/0.60 = 0.75 para condiciones de poco control en campo y Em = 0.60, lo que implica una relación Em/0.60 = 1.0 cuando se empleen equipos de buena calidad y procedimientos controlados de muestreo, para perforadoras equipadas con martillos donut.
Otro ejemplo es que Seed et al (2003), en base a data recogida en USA, recomiendan considerar Em = 0.80, lo que implica que la relación Em/0.60 = 1.33 para equipos modernos con martillos automáticos.
Sin embargo, los valores de Em que se encuentran en la tabla son suficientemente confiables para los casos en que no se disponga de mediciones de energía durante el ensayo SPT.
Corrección por confinamiento para arenas
¿De dónde sale la necesidad de corregir debido al efecto del confinamiento en arenas? Esta corrección surge por un hecho físico que afecta los valores registrados durante el SPT, y es que los ensayos efectuados en un depósito de suelo de arena relativamente uniforme van a tener valores de NSPT más altos a mayores profundidades que los ensayos realizados en el mismo depósito, pero a menores profundidades.
Esto se debe a que los esfuerzos efectivos verticales en el terreno siguen una distribución aproximadamente triangular, incrementando su valor con la profundidad. Ello implica que los esfuerzos horizontales actuantes sobre el sistema de barras también aumentan con la profundidad.
Debido a esta presión lateral, se genera una fuerza de roce “FR” sobre el sistema de barras, que es igual al esfuerzo horizontal por un coeficiente de fricción suelo-barras, que depende del tipo de terreno y del material de fabricación de las barras, de manera análoga a lo que ocurre durante el proceso de hincado de un pilote, tal como se observa en la Figura 2.
Figura 2: Incremento de esfuerzos efectivos verticales y horizontales con la profundidad. Efecto de la fuerza de roca sobre el sistema de barras.
Considerando la distribución de esfuerzos triangular que vemos en la figura, es evidente por qué los valores de NSPT tienden a aumentar en estratos más profundos para el caso de suelos granulares. En el caso de suelos cohesivos, este efecto no es tan marcado debido a una influencia menor del roce entre el terreno y el sistema de barras.
A fin de considerar este efecto, surge la idea de normalizar los valores de NX en arenas para una presión de confinamiento de 100 kPa (que es la presión atmosférica). Es decir, que con esta normalización lo que se hace es afectar los valores de NX con un factor CN, de manera tal que los valores de NX registrados se ajustan como si todos ellos tuvieran una presión vertical efectiva igual a 100 kPa, lo cual permite comparar los valores de NX entre sí, minimizando el efecto de la fricción sobre las barras.
Hay muchas expresiones que se desarrollaron a lo largo de los años para efectuar esta normalización, siendo una de las más sencillas la propuesta por Liao & Whitman (1985), la cual se muestra a continuación:
Siendo CN = factor de corrección por confinamiento; NX = valor de NSPT corregido por energía y efectos del diámetro de la perforación, el muestreador, y la longitud de las barras; σ´z = esfuerzo vertical efectivo a la profundidad de ensayo.
Es importante destacar que, a fin de obtener valores representativos del factor CN, es imprescindible llevar a cabo una adecuada estimación del esfuerzo efectivo a la profundidad del ensayo. Dadas las limitaciones asociadas a la determinación del peso unitario del terreno en materiales granulares (debido, básicamente, a que no es posible obtener muestras imperturbadas del terreno), puede emplearse la siguiente tabla, presentada por Kulhawy & Mayne (1990) para estimar dicho parámetro y, a partir de ahí, el esfuerzo efectivo.
Tabla 3: Estimación del peso unitario para diferentes tipos de suelos (Fuente: tomado de Kulhawy & Mayne, 1990).
Así, estimada la densidad relativa del material granular presente en el terreno, es posible estimar el valor del peso unitario seco y saturado, normalizado en base al peso unitario del agua.
Tal como se desprende de lo anterior, es evidente que el procedimiento de corrección por confinamiento no es exacto, y por ende los valores de (N1)(X) tampoco lo serán. Pero el error cometido se puede minimizar a través de una correcta estimación del peso unitario del terreno.
Ejemplo de aplicación
Para ilustrar lo explicado previamente, revisaremos un ejemplo práctico. En este caso, se supondrá que se efectuaron dos perforaciones en el mismo terreno, separadas aproximadamente 5m una de otra. La primera perforación se llevó a cabo con un equipo relativamente antiguo, operado por perforadores que tienen cierta experiencia, pero que requieren supervisión en campo por parte de un ingeniero o técnico. La segunda perforación fue realizada con un equipo automático de última generación. Para ambos casos, se efectuará la corrección de los valores de NSPT, para obtener N60 y (N1)60 para el caso del estrato de arena.
Se supondrá que los sondeos fueron realizados en un terreno ubicado en Colombia, empleando muestreadores tipo cuchara partida estándares, con un diámetro de perforación de 65mm.
En las Figuras 3 y 4, se presenta la data obtenida con cada equipo, junto con la información de laboratorio disponible, la cual incluye resultados de ensayos de densidad en muestras de arcilla, relaciones de vacíos máximas y mínimas, y análisis granulométricos por hidrómetro sobre muestras de arena recuperadas durante las perforaciones.
Figura 3: Data de campo y laboratorio. Equipo antiguo con martillo tipo donut.
Figura 4: Data de campo y laboratorio. Equipo de última generación con martillo automático.
Resultados obtenidos en campo
Tal como se observa en las figuras anteriores, en el mismo terreno los valores de NSPT obtenidos con los equipos son considerablemente diferentes. Esto demuestra la necesidad de corregir los registros de campo de los ensayos de SPT, a fin de comparar la información obtenida con diferentes equipos de perforación.
Procedimiento de corrección: Equipo antiguo
Lo primero que debe hacerse (para ambos equipos) es, en base a la información de campo y laboratorio, estimar el peso unitario de los sub-estratos de arena, que según vemos en las Figuras 3 y 4 anteriores, son tres, considerando los valores de NSPT registrados en campo.
En la Figura 5, se detalla el paso a paso para el equipo antiguo:
- Estimación de la densidad relativa (Dr): Se determina Dr del estrato arenoso en base al registro de campo del ensayo SPT, empleando para ello la tabla propuesta por Terzaghi & Peck (1943).
- Estimación de la relación de vacíos: A partir del valor de Dr y de las relaciones de vacíos máxima y mínima obtenidas en laboratorio, se calcula la relación de vacíos de la muestra, usando la ecuación que vincula Dr con las diferentes relaciones de vacíos.
- Estimación de las relaciones γd/γw: Utilizando la Tabla 3, se estima la relación entre el peso unitario seco (γd) -porque no hay agua en esta perforación- y el peso unitario del agua (γw), considerando el valor de la relación de vacíos “e” y los valores de “eMAX” y “eMIN”. Para valores de "e" de la muestra más cercanos a “eMAX”, corresponderían los valores de peso unitario más bajos (dado que la muestra tiene más vacíos), mientras que para los valores de “e” de la muestra más cercanos a “eMIN” corresponderían los valores de peso unitario más elevados (porque la muestra tendría menos vacíos y estaría en un arreglo más denso).
Así, en base a esto, se seleccionaron las relaciones γd/γw que reportan en la Figura 5. Y sabiendo que el peso unitario del agua es de 9.81 kN/m3, se obtienen los valores de γd para los tres sub-estratos de arena.
A partir de esta data, se determina la distribución de esfuerzos verticales efectivos con la profundidad, que es lo que se observa en la última columna de la tabla incluida en la Figura 5.
Figura 5: Estimación de pesos unitarios del estrato de arena. Equipo antiguo con martillo tipo donut.
Finalmente, empleando los factores presentados en las Tablas 1 y 2 y las ecuaciones explicadas a lo largo de este artículo, se determinan los diferentes factores de corrección y los valores de N60 (para todo el perfil de suelo) y (N1)60 para el estrato arenoso, tal como se observa en la Figura 6.
Figura 6: Determinación de valores de N60 y (N1)60. Equipo antiguo con martillo tipo donut.
Procedimiento de corrección: Equipo automático
En las Figuras 7 y 8 se muestran los mismos análisis descritos anteriormente, considerando los registros de campo obtenidos con el equipo automático.
Figura 7: Estimación de pesos unitarios del estrato de arena. Equipo de última generación con martillo automático.
Figura 8: Determinación de valores de N60 y (N1)60. Equipo de última generación con martillo automático.
Comparación de resultados
Finalmente, la Figura 9 presenta la comparación entre los resultados obtenidos para los equipos estudiados, en el mismo terreno, destacando los NDISEÑO para ambos casos.
Figura 9: Comparación de valores de N60 y (N1)60 obtenidos para un equipo antiguo (martillo donut) y un equipo de última generación (martillo automático) en el mismo terreno.
De acuerdo con la tabla anterior, los valores corregidos para ambos equipos son similares, lo cual resulta lógico, considerando que se trata de perforaciones ejecutadas en un mismo terreno, muy cercanas una de otra.
Conclusiones
En base a la información revisada y al ejemplo realizado, es posible destacar los siguientes puntos:
Si el ensayo SPT es correctamente realizado, y además se corrigen los registros de campo siguiendo los procedimientos indicados a lo largo de este artículo, la información empleada en el estudio geotécnico será de la mejor calidad posible, lo cual, a su vez, permitirá efectuar diseños geotécnicos menos conservadores con la consecuente optimización de los costos de proyecto.
El estudio de los ensayos de campo más utilizados en la práctica y el modelado 3D de Perfiles Geotécnicos (Sondeos Mecánicos, Pruebas de Penetración, Geofísica) forma parte del contenido de nuestro “Curso en Elaboración de Estudios Geotécnicos”, donde se abordan las diferentes fases que componen una investigación geotécnica, conceptos de mecánica de suelos y de rocas aplicados al diseño de cimentaciones, así como, el uso de normativa internacional de referencia para dimensionado y verificación de cimentaciones superficiales y profundas sometidas a acciones gravitacionales y sísmicas.
Referencias
• Amundaray, J. I. (2006) Suelos potencialmente licuables y medidas de remediación. Ingeniería Forense y Estudios de Sitio / Guía para la Prevención de Gestión de Riesgos. Prensas Venezolanas. Caracas, Venezuela.
• Coduto, D. (2001) Foundation Design, Principles and Practices. Prentice-Hall, Inc. New Jersey, USA.
• Kulhwy, F. & Mayne, P. (1990) Manual on Estimating Soil Properties for Foundation Design. Prepared by Cornell University for Electric Power Research Institute. New York, USA.
• Seed, R., Riemer, M., Cetin, K., Sancio, R., Moss, R., Bray, J., Kammerer, A., Kayen, R., Wu, J., Faris, A., Pestana, J. (2003) Recent Advances in Soil Liquefaction Engineering: A Unified and Consistent Framework. Earthquake Engineering Research Center, College of Engineering, University of California. Berkeley, USA.
• Skempton, A. (1986) Standard Penetration Test Procedures and the Effects in Sands of Overburden Pressure, Relative Density, Particle Size, Ageing and Overconsolidation. Geotechnique 36, No. 3, 425-447.
• Youd, L. & Idriss, I. (2001) Liquefaction Resistance of Soils: Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 297-313.
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