Ensayos Geotecnicos in Situ - Ejecución e Interpretación

Caracterizacin Geotcnica y Geoambiental in situ Control y Prospecciones IgeoTest, S.L.

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ENSAYOS GEOTECNICOS IN SITU

SU EJECUCIN E INTERPRETACIN

Marcelo Devincenzi [email protected] Norberto Frank [email protected] IGEOTEST,S.L., Figueres, Girona. www.igeotest.com Mayo 2004

Ensayos Geotcnicos Su Ejecucin e Interpretacin M. Devincenzi y N. Frank

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TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIN ......................................................................................................................................... 6 1.1 OBJETIVOS DE LOS EGIS ........................................................................................................................... 6 1.2 IN SITU VS. LABORATORIO ........................................................................................................................ 6 1.3 INTERPRETACIN Y APLICACIN DE LOS EGIS............................................................................................ 7 1.4 ELECCIN DEL MTODO............................................................................................................................ 8

2 ENSAYO SPT.............................................................................................................................................. 11 2.1 RESEA HISTRICA................................................................................................................................. 11 2.2 PRINCIPIO Y REALIZACIN DEL ENSAYOS ................................................................................................. 11 2.3 APLICABILIDAD DE LA PRUEBA ................................................................................................................ 12 2.4 FACTORES QUE AFECTAN EL RESULTADO ................................................................................................. 12

2.4.1 Preparacin del Sondeo ................................................................................................................. 12 2.4.2 Longitud del Varillaje y Dimetro del Sondeo ................................................................................ 12 2.4.3 Dispositivo de Golpeo: Energa Liberada....................................................................................... 13 2.4.4 Normalizacin por el Sistema de Hinca.......................................................................................... 14

2.5 CORRECCIONES DE NSPT ........................................................................................................................... 14 2.5.1 Correccin por nivel fretico ......................................................................................................... 14 2.5.2 Normalizacin por la Presin de Confinamiento ............................................................................ 14

2.6 PARMETROS GEOTECNICOS: TERRENOS GRANULARES ............................................................................ 15 2.6.1 Densidad Relativa .......................................................................................................................... 15

2.6.1.1 DR% y la clasificacin de Terzaghi y Peck.............................................................................. 15 2.6.1.2 DR% y Presin de Confinamiento........................................................................................... 16 2.6.1.3 DR%, Consideraciones Finales ............................................................................................... 17 2.6.1.4 DR%, Comentarios Sobre la Edad de los Depsitos................................................................. 17

2.6.2 Angulo de Rozamiento Interno ....................................................................................................... 17 2.6.2.1 Angulo de Rozamiento y DR%................................................................................................ 17 2.6.2.2 NSPT y Angulo de Rozamiento................................................................................................. 18

2.6.3 Deformabilidad .............................................................................................................................. 18 2.6.3.1 Mdulo Confinado.................................................................................................................. 19 2.6.3.2 Mdulo de Young ................................................................................................................... 19 2.6.3.3 Mdulo de Corte Dinmico G0 ................................................................................................ 20

2.7 OTRAS CORRELACIONES EN SUELOS GRANULARES ................................................................................... 20 2.8 CIMENTACIONES SUPERFICIALES: TENSIN ADMISIBLE Y ASIENTOS .......................................................... 20

2.8.1 Mtodo de Terzaghi y Peck, 1948................................................................................................... 20 2.8.2 Mtodo de Meyerhof, 1956, 1965 ................................................................................................... 23 2.8.3 Mtodo de Teng, 1962.................................................................................................................... 23 2.8.4 Mtodo Peck y Bazaraa, 1969 ........................................................................................................ 23 2.8.5 Mtodo Schultze y Sherif, 1973 ...................................................................................................... 23 2.8.6 Mtodo Peck Hanson y Thornburn, 1974........................................................................................ 24 2.8.7 Mtodo Burland et al., 1977........................................................................................................... 24 2.8.8 Mtodo Bowles, 1977, 1982, 1996 .................................................................................................. 24 2.8.9 Tensin Admisible y Asientos: Cometarios ..................................................................................... 26

2.9 RESISTENCIA A LA LICUEFACCIN DE UNA ARENA ..................................................................................... 26 2.9.1 Influencia del Contenido de Finos.................................................................................................. 26 2.9.2 Magnitud del Terremoto................................................................................................................. 27

2.10 SUELOS COHESIVOS ................................................................................................................................ 27 2.10.1 Resistencia a la Compresin Simple ............................................................................................... 28 2.10.2 Parmetros de Deformabilidad....................................................................................................... 28

2.11 CORRELACIONES CON OTROS ENSAYOS IN SITU....................................................................................... 28 2.11.1 Correlaciones con el CPT .............................................................................................................. 28


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2.11.2 Correlaciones con el ensayo de Penetracin Dinmica Borros y DPSH ......................................... 29 2.11.2.1 Suelos Granulares ................................................................................................................... 29 2.11.2.2 Suelos Cohesivos .................................................................................................................... 29

2.12 BIBLIOGRAFA SPT ................................................................................................................................. 29 3 ENSAYO PRESIOMTRICO .................................................................................................................332

3.1 DEFINICIN ............................................................................................................................................ 32 3.2 INSTALACIN Y TIPOS DE PRESIMETROS................................................................................................. 32 3.3 APLICACIN DE LA CARGA....................................................................................................................... 34 3.4 LECTURA DE LAS DEFORMACIONES SONDA PRESIOMTRICA................................................................... 34 3.5 CENTRALES DE CONTROL Y TOMA DE DATOS ........................................................................................... 36 3.6 CALIBRADO Y CORRECCIONES ................................................................................................................. 37

3.6.1 Correccin por Carga Hidrulica .................................................................................................. 37 3.6.2 Inercia de la Membrana ................................................................................................................. 37 3.6.3 Compresin y Estiramiento de la Membrana - Calibrado ............................................................... 38

3.7 METODOLOGA DEL ENSAYO ................................................................................................................... 39 3.7.1 Tensin Controlada........................................................................................................................ 39 3.7.2 Deformacin Controlada................................................................................................................ 40 3.7.3 Metodologa Mixta......................................................................................................................... 40 3.7.4 Otros Procedimientos..................................................................................................................... 40 3.7.5 Evolucin y Finalizacin del Ensayo.............................................................................................. 40

3.8 LA CURVA PRESIOMTRICA ..................................................................................................................... 40 3.9 ANLISIS DEL ENSAYO PRESIOMTRICO ................................................................................................... 42

3.9.1 Expansin de una Cavidad Cilndrica ............................................................................................ 42 3.9.2 Fase Elstica.................................................................................................................................. 43

3.9.2.1 Mdulo de Corte G Definicin General ................................................................................... 43 3.9.2.2 Mdulo de Corte Inicial Gi ..................................................................................................... 43 3.9.2.3 Modulos en Carga y Descarga Gur ........................................................................................... 44 3.9.2.4 Mdulo de Deformacin E ...................................................................................................... 44

3.9.3 Fase Plstica.................................................................................................................................. 44 3.9.4 Determinacin de la Presin Lmite ............................................................................................... 45 3.9.5 Determinacin de Parmetros ........................................................................................................ 45 3.9.6 Factores que Afectan la Interpretacin Terica.............................................................................. 46

3.10 CORRELACIONES EMPRICAS.................................................................................................................... 46 3.11 BIBLIOGRAFA PRESIOMETRA.................................................................................................................. 48

4 ENSAYO DE MOLINETE: FVT.............................................................................................................449 4.1 INTRODUCCIN....................................................................................................................................... 49 4.2 EJECUCION DEL ENSAYO................................................................................................................. 49 4.3 RESISTENCIA AL CORTE Y SENSITIVIDAD.................................................................................................. 50

4.3.1 Resistencia al Corte ....................................................................................................................... 50 4.3.2 Sensitividad.................................................................................................................................... 51

4.4 FACTORES QUE INFLUENCIAN LOS RESULTADOS........................................................................................ 51 4.4.1 Factores relacionados con la ejecucin del ensayo ........................................................................ 51 4.4.2 Factores relacionados con el suelo y su historia tensional ............................................................. 51 4.4.3 Presiones Intersticiales .................................................................................................................. 52

4.5 BIBLIOGRAFA ENSAYO MOLINETE .......................................................................................................... 52 5 ENSAYO DE PENETRACIN ESTTICA (CPT) Y PIEZOCONO (CPTU) ......................................554

5.1 INTRODUCCIN....................................................................................................................................... 54 5.2 OBJETIVO Y APLICABILIDAD DEL ENSAYO ................................................................................................ 54 5.3 EQUIPOS ................................................................................................................................................. 55

5.3.1 Conos............................................................................................................................................. 55 5.3.2 Caractersticas del filtro poroso y su ubicacin en la punta ........................................................... 56 5.3.3 Sistema de Hinca: Penetrmetro .................................................................................................... 56 5.3.4 Equipo de Toma de Datos .............................................................................................................. 57 5.3.5 Calibrado de los equipos................................................................................................................ 57


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5.4 EJECUCION DEL ENSAYO ......................................................................................................................... 58 5.4.1 Comentarios Generales .................................................................................................................. 58 5.4.2 Saturacin del Filtro Poroso y Punta ............................................................................................. 58 5.4.3 Disipacin de Presiones y Ensayo de Disipacin............................................................................ 58

5.5 FACTORES QUE AFECTAN LAS MEDIDAS Y PROCESADO DE DATOS ............................................................. 59 5.5.1 Efectos de la presin de poros sobre las reas desiguales de la punta............................................ 59 5.5.2 Presin intersticial u - Influencia de la ubicacin del filtro............................................................ 59 5.5.3 Otros factores que afectan las medidas .......................................................................................... 60

5.5.3.1 Velocidad de Penetracin........................................................................................................ 60 5.5.3.2 Temperatura ........................................................................................................................... 60

5.6 PRESENTACION DE RESULTADOS.............................................................................................................. 60 5.7 ESTRATRIGRAFA .................................................................................................................................... 60

5.7.1 Perfil Estratigrfico ....................................................................................................................... 60 5.7.2 Clasificacion del Suelo................................................................................................................... 62 5.7.3 Sedimentologa............................................................................................................................... 62

5.8 ANLISIS TERICO DE LA PENETRACIN .................................................................................................. 64 5.9 INTERPRETACIN: SUELOS GRANULARES ................................................................................................. 64

5.9.1 Evaluacin de la Densidad Relativa DR%...................................................................................... 64 5.9.2 Evaluacin del Angulo de Rozamiento ........................................................................................... 65 5.9.3 Evaluacin de los parmetros de deformabilidad ........................................................................... 65

5.9.3.1 Mdulo Confinado M.............................................................................................................. 66 5.9.3.2 Mdulo de Young E................................................................................................................ 66 5.9.3.3 Mdulo de deformacin tangencial Gmax.................................................................................. 66

5.9.4 Historia Tensional: OCR................................................................................................................ 67 5.9.5 Resistencia a la Licuefaccin de las arenas.................................................................................... 67

5.10 INTERPRETACIN: SUELOS COHESIVOS .................................................................................................... 68 5.10.1 Evaluacin de la resistencia al corte no drenada (Su)..................................................................... 68

5.10.1.1 Uso de qc ................................................................................................................................ 68 5.10.1.2 Uso de U............................................................................................................................... 68

5.10.2 Evaluacin de la Sensitividad......................................................................................................... 69 5.10.3 Evaluacin de los parmetros de deformabilidad ........................................................................... 69

5.10.3.1 Mdulo confinado M............................................................................................................... 69 5.10.3.2 Mdulo de Young no drenado Eu ............................................................................................ 70

5.10.4 Historia Tensional: OCR................................................................................................................ 70 5.10.5 Evaluacin del coeficiente de consolidacin ch.............................................................................. 71

5.11 EVALUACION DE OTROS PARMETROS ..................................................................................................... 73 5.11.1 Permeabilidad................................................................................................................................ 73 5.11.2 Densidad........................................................................................................................................ 73 5.11.3 Correlaciones con el ensayo SPT ................................................................................................... 73

5.12 BIBLIOGRAFA CPT Y CPTU ................................................................................................................... 74 6 ENSAYO DILATOMTRICO DE MARCHETTI: DMT......................................................................... 76

6.1 PROCEDIMIENTO Y EQUIPOS DEL ENSAYO DMT ....................................................................................... 76 6.2 NORMATIVAS..................................................................................................................................... 76 6.3 EQUIPOS .............................................................................................................................................. 76

6.3.1 Sistema de Empuje ......................................................................................................................... 76 6.3.2 Varillaje ......................................................................................................................................... 77 6.3.3 Precisin de las Lecturas ............................................................................................................... 77

6.4 CALIBRADO DE LAS MEMBRANAS................................................................................................. 77 6.5 INTERPRETACION BSICA DEL ENSAYO DMT ........................................................................................... 77

6.5.1 Parmetros DMT............................................................................................................................ 77 6.5.2 ID: Indice del Material o Tipo de Suelo .......................................................................................... 78 6.5.3 KD: Horizontal Stress Index............................................................................................................ 78 6.5.4 ED: Mdulo DMT ........................................................................................................................... 78

6.6 INTERPRETACION DE PARMETROS GEOTCNICOS .................................................................................... 78 6.6.1 Tipo de Suelo y Peso Especfico Relativo ....................................................................................... 79 6.6.2 Grado de Sobreconsolidacin (OCR).............................................................................................. 79


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6.6.3 Coeficiente de empuje en reposo K0 ............................................................................................... 80 6.6.4 Parmetros Resistentes................................................................................................................... 80

6.6.4.1 cu (arcillas) ............................................................................................................................. 80 6.6.4.2 (arenas)................................................................................................................................ 81

6.6.5 Parmetros de Deformacin........................................................................................................... 82 6.6.6 Interpretacin, Resumen................................................................................................................. 82

6.7 EJEMPLOS............................................................................................................................................... 82 6.8 OTRAS APLICACIONES DE INTERS........................................................................................................... 86

6.8.1 Deteccin de Superficies de Rotura en Taludes de Arcillas OC ...................................................... 86 6.8.2 Control de Tratamientos de Mejora del Terreno............................................................................. 87 6.8.3 Control de Compactacin de Terraplenes....................................................................................... 87

6.9 BIBLIOGRAFA DMT ............................................................................................................................... 88

Ensayos Geotcnicos in situ: Introducccin M. Devincenzi y N. Frank

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1 INTRODUCCIN

Los ensayos geotcnicos in situ (EGIS) constituyen una serie de tcnicas variadas e independientes con un objetivo comn: la caracterizacin mecnica de las capas que componen el subsuelo a travs de parmetros medidos en el propio medio natural.

La diversidad de tcnicas aplicadas es muy grande y los parmetros medidos con cada una de ellas, distintos.

El presente escrito se analizan los objetivos fundamentales de los EGIS y se resumen los fundamentos del ensayo de penetracin estndar, el conocido SPT, el ensayo de penetracin esttica y piezocono (CPT y CPTU), el ensayo Vane-Test (FVT), el ensayo presiomtrico de Mnard (MPM) y, finalmente, el ensayos dilatomtrico de Marchetti (DMT).

1.1 Objetivos de los EGIS

Bsicamente, los cuatro propsitos fundamentales de los EGIS son (Worth, 1984): 1. Caracterizacin o diagnosis del terreno.

2. Determinacin de propiedades especficas del suelo.

3. Control de obras.

4. Comprobacin de hiptesis de clculo y anlisis retrospectivo.

Estos conceptos se resumen ligeramente ampliados en la Tabla 1-1.

Tabla 1-1: Objetivos de los EGIS (Jimnez Salas, 1987)

En los dos ltimos decenios los EGIS han manifestado un fuerte desarrollo como consecuencia de los avances en electrnica, informtica y comunicaciones. Paralelamente, se han actualizado y redactado nuevos estndares que normalizaron los procedimientos de ejecucin, equipos y mtodos de anlisis. Numerosas Conferencias y Simposios sobre este tema desde los aos 70s han tenido tambin una fuerte influencia en estos desarrollos.

1.2 In Situ vs. Laboratorio

En el pasado, los clculos de estabilidad o predicciones de asientos se realizaban a partir de parmetros geotcnicos obtenidos mediante ensayos de laboratorio realizados sobre muestras supuestamente inalteradas del terreno.

Sin embargo, las frmulas tericas clsicas que utilizan estos parmetros mecnicos conducen en muchas ocasiones a resultados en perfecta contradiccin con la experiencia. Por ejemplo, los asientos reales de una cimentacin generalmente son slo una fraccin de los calculados a partir de ensayos edomtricos. El tiempo de consolidacin de suelos blandos bajo la carga de un terrapln suele ser bastante menor que el estimado a partir del coeficiente de consolidacin determinado tambin en el edmetro. Incluso, muchas veces, la consolidacin suele ser sorprendentemente ms rpida que la prevista.

Evidentemente, en el laboratorio es donde se pueden estudiar las propiedades de los suelos en condiciones estrictamente controladas. No obstante, el punto de partida es siempre el mismo: la Muestra Inalterada.

Si bien se han realizado progresos en los mtodos de toma de muestras intactas, siempre resulta ser una operacin algo brutal que altera ms o menos las propiedades originales del suelo. El posterior traslado y almacenamiento pueden aumentar an ms esta perturbacin.La toma de muestras inalteradas, por otro lado, slo es posible en suelos dotados de cierta cohesin. Otros inconvenientes de las muestras son la modesta representatividad de la masa total del suelo y el hecho de que los ensayos suelen ser lentos y costosos por lo que a su vez se trata de limitar su nmero.

Caracterizacin del Terreno

Parmetros de Clculo Para el Proyecto

Modelizacin

Durante la ConstruccinComportamiento del Terreno Durante la Explotacin

Sobre el Terreno Control y Comprobacin

Sobre las Estructuras


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Adems, no debe olvidarse que los ensayos de laboratorio plantean igualmente objeciones de naturaleza terica en lo que concierne a su interpretacin y a la aplicacin que puede hacerse de sus resultados.

Los EGIS, que no estn exentos de crtica, permiten solicitar al suelo en su medio natural y en parte evitan la alteracin inherente a las muestras. Por otra parte presentan otras valiosas ventajas: son rpidos, relativamente econmicos y proporcionan una abundante cantidad de datos

Se puede as apreciar la heterogeneidad del subsuelo y someter los resultados experimentales a un anlisis estadstico de los parmetros mecnicos y no adoptar sistemticamente los valores ms dbiles, como se tiene tendencia a hacer con los ensayos de laboratorio.Los EGIS no sustituyen a los sondeos, caros y lentos, pero si permiten reducir su nmero significativamente.

De esta forma, a partir de la dcada de los 70, la tendencia, al menos para problemas de cimentacin, se orient claramente hacia los ensayos in situ en detrimento del laboratorio.

En la ltima dcada, sin embargo, se ha producido una situacin de mayor equilibrio. Se tiene una mayor comprensin de los mecanismos que alteran las muestras, se han introducido nuevas tcnicas de muestreo, existen nuevos procedimientos para la instalacin de las muestras en los aparatos de ensayo y han mejorado sensiblemente las tcnicas de laboratorio.

Existe adems una interesante sinergia entre los ensayos in situ y los de laboratorio. Los conocimientos aportados por la nueva generacin de ensayos de laboratorio permiten interpretar de una forma ms completa los ensayos in situ y, por otra parte, los ensayos in situ se utilizan en la evaluacin de la calidad de las muestras, como por ejemplo las medidas ssmicas de mdulos de corte (Gens y Romero, 2000).

Puede decirse que la Mecnica del Suelo en la forma en la que hoy la conocemos, se sostiene sobre dos pilares que son el laboratorio y los ensayos in situ.

1.3 Interpretacin y Aplicacin de los EGIS

La interpretacin terica de los datos obtenidos de un ensayo in situ dista de ser fcil. Diversos factores contribuyen a ello y stos caen dentro de dos categoras distintas (Worth, 1984): aquellos debidos al comportamiento del suelo y aquellos debidos al tipo de ensayo que se realiza.

Resistencia, rigidez y estado tensional in situ son los responsables de la respuesta de un ensayo y los mtodos avanzados de interpretacin deben tener en cuenta esta interaccin ya que los factores utilizados para derivar un parmetro pueden a su vez depender del valor de otro.

La interpretacin de los EGIS para obtener los parmetros geotcnicos se puede dividir en tres grandes grupos (Jamiolkowski et al., 1988):

1. Ensayos en los cuales los elementos del suelo siguen trayectorias de tensiones muy parecidas a las reales. Por ejemplo, presimetro autoperforante o pruebas ssmicas. Los parmetros geotcnicos se pueden calcular con soluciones tericas fijando modelos apropiados para las condiciones de drenaje y para las relaciones esfuerzo-deformacin.

2. Ensayos en los cuales los elementos del suelo siguen trayectorias de tensiones diferentes a las reales del terreno. Con apropiadas hiptesis de las condiciones de drenaje y las relaciones esfuerzo-deformacin, las soluciones tericas permiten la determinacin de algunas caractersticas del suelo. Por ejemplo, ensayos de carga con placa y ensayos de penetracin esttica y piezoconos.

3. Ensayos en los cuales los elementos del suelo siguen trayectorias de tensiones diferentes a las reales. Con modelos adecuados sobre las condiciones del entorno, los resultados de los ensayos se pueden correlacionar empricamente con propiedades especficas del terreno. Por ejemplo, ensayos SPT, penetrmetros dinmicos y estticos.

Existen dos caminos bsicos para la aplicacin

de los resultados de los ensayos geotcnicos in situ, enfoques que histricamente estn relacionados con el desarrollo que han tenido stos en diferentes pases.

En el pasado, los parmetros de diseo bsicos (de resistencia y de deformacin) se obtenan exclusivamente a partir de ensayos de laboratorio, preferiblemente ensayos triaxiales, efectuados sobre muestras inalteradas. A medida que se fueron desarrollando los ensayos geotcnicos in situ, investigadores de muchos pases han realizado esfuerzos para obtener con stos los mismos parmetros que se obtienen con el ensayo triaxial (vese por ejemplo Wroth, 1984;


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Jamiolkowski, 1988, etc.). Esta forma de trabajar con los resultados de los ensayos in situ es la que se denomina mtodo indirecto. En contrapartida, los mtodos directos contemplan la utilizacin de los resultados de los ensayos in situ para el diseo sin la determinacin

previa de los parmetros geotcnicos tradicionales. Un ejemplo clsico lo constituye el presimetro, desarrollado en Francia por Mnard a mediados de la dcada de los 50s. A partir de los resultados obtenidos con el ensayo (el mdulo presiomtrico, la presin de fluencia y la presin lmite del suelo) se pueden realizar directamente clculos para el diseo, tales como capacidad portante de cimentaciones, asientos, etc. Es cierto, por otro lado, que para este ensayo posteriormente se han desarrollado estudios

tericos y correlaciones con los parmetros clsicos.

El mtodo de clculo de asientos para suelos granulares de Schmertmann (1978) constituye otro de los numerosos ejemplos de aplicaciones directas de los EGIS.

1.4 Eleccin del Mtodo

La eleccin de un determinado EGIS o una combinacin de ellos depender del tipo de problema a resolver y del tipo de terreno a investigar.

En la Tabla 1-3 se resumen los principales EGIS y su aplicabilidad en diferentes tipos de terreno. En la Tabla 1-2 se presenta adems un anlisis comparativo entre los distintos tipos de ensayos de penetracin, dinmicos y estticos.

1 Existen actualmente dispositivos para obtener muestras de pequeas dimensiones realizando una penetracin adyacente al ensayo.

SPT BORROS

DPSH

CPT

mecnico

CPT

elctrico

Tipo de Suelo La mayora La mayora Gravas no Gravas no

Continuidad / perfiles No Si, datos cada 20 cm Si, datos cada 10 o 20 cm

Si, datos cada 1 cm

Toma de muestra Si No No No1

Repetitividad Buena Buena Muy Buena Excelente

Sensibilidad a cambios en el perfil estratigrfico Regular/Buena Buena

Buena/Muy Buena Excelente

Correlaciones empricas para determinar propiedades del suelo Si Si Si Si

Interpretaciones tericas para determinar propiedades del suelo No No Si Si

Posibilidad de otros captores o sensores No No No Si

Tabla 1-2: Comparacin de las ventajas y limitaciones entre distintos tipos de penetrmetros


APLICABILIDAD: A = alta, B = media, C = baja, -= ninguna

* = depender del tipo de suelo; 1 = slo cuando exista sensor de u; 2 = slo cuando exista sensor de desplazamiento u: presin hidrosttica in situ : ngulo de rozamiento interno efectivo su: resistencia al corte sin drenar DR%: densidad relativa mv: mdulo confinado cv: coeficiente de consolidacin k: coeficiente de permeabilidad G0: mdulo de corte para bajos esfuerzos OCR: razn de preconsolidacin -: relacin tensin-deformacin

Parmetros del Suelo Tipo de Terreno

Grupo Tipo

Tipo

Sue

lo

Estr

atig

rafa

u *

s u

DR

%

mv

c v

k G0

h

OCR

-

Roc

a du

ra

Roc

a bl

anda

Gra

va

Aren

a

Lim

o

Arci

lla

Org

nic

os

Dinmico C B - C C C - - - C - C - - C B A B B B

SPT A B - C C B - - - C - C - - C B A A A A

CPT mecnico B AB - C C B C - - C C C - - C C A A A A

CPT elctrico B A - C B AB C - - B BC B - - C C A A A A

CPTU A A A B B AB B AB B B BC B C - C - A A A A

CPT/CPTU ssmico A A A B AB AB B AB B A B B B - C - A A A A

Punta resistividad B B - B C A C - - - - - - - C - A A A A

Pene

trm

etro

S

Dilatmetro Plano (DMT) B A C B B C B - - B B B C C C - A A A A

Con sondeo previo (PBP) B B - C B C B C - B C C C A A B B B A B

Autoperforante (SBP) B B A1 B B B B A1 B A2 AB B AB - B - B B A B

Pres

im

etro

s

Hinca (FDP) B B - C B C C C - A2 C C C - C - B B A A

Vane-Test (FVT) B C - - A - - - - - - BC B - - - - - A B

Placa de Carga C - - C B B B C C A C B B B A B B A A A

Placa helicoidal (screw plate) C C - C B B B C C A C B - - - - A A A A

Permeabilidad en sondeos C - A - - - - B A - - - - A A A A A A B

Fracturacin hidrulica - - B - - - - C C - B - - B B - - C A C

Otr

os

Cross hole/Down hole/Sismica C C - - - - - - - A - B - A A A A A A A

Tabla 1-3: Principales ensayos geotcnicos in situ y su aplicabilidad. Adaptada de Lunne et al., 1997

Ensayos Geotcnicos in situ: Ensayo SPT M. Devincenzi y N. Frank

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Varillaje

Sufridera

Maza

Sondeo

i

H=76,2 cm

Cuchara SPT

Gua

2 ENSAYO SPT

2.1 Resea Histrica

El Ensayo de Penetracin Estndar (SPT, del ingls, standard penetration test) naci en el ao 1927 en Amrica del Norte y se puede decir que es el decano de los ensayos in situ tal cual hoy son concebidos. Fue desarrollado por un sondista de la Raymond Concrete Pile Co., quien propuso a Terzaghi contabilizar el nmero de golpes necesarios para hincar 1 pie (30 cm) el tomamuestras que sola utilizar para obtener muestras en terrenos sin cohesin (arenas).

Despus de acumular un gran nmero de ensayos, Terzaghi y Peck (1948) publicaron los resultados en su clsico libro Mecnica de Suelos en la Ingeniera Prctica.

Hoy da es uno de los ensayos ms extendido en todo el mundo y sobre el que se han publicado numerossimos artculos.

2.2 Principio y Realizacin del Ensayos

De forma resumida, la realizacin del ensayo es la siguiente (Figura 2-1): 1. Se ejecuta un taladro hasta la cota deseada y

en el fondo del mismo se introduce un tomamuestras de dimensiones estndar que consta de tres elementos: zapata, tubo bipartido y cabeza de acoplamiento con el varillaje.

2. Se hinca el tomamuestras o cuchara SPT en el terreno 60 cm, contando en nmero de golpes necesarios para hincar tramos de 15 centmetros. La hinca se realiza mediante una maza de 63,5 kg (140 libras) que cae desde una altura de 76,2 cm (30 pulgadas) en una cabeza de golpeo o yunque, lo que corresponde a un trabajo terico de 0,5 kJ por golpe.

La lectura del golpeo del primer y ltimo tramo no se tienen en cuenta, por posible alteracin del suelo o derrumbes de las paredes del sondeo en el primer caso y por posible compactacin en el segundo. Los valores de golpeo de los tramos centrales de 15 cm sumados conducen al parmetro N30SPT o NSPT, denominado tambin resistencia a la penetracin estndar.

Cuando el terreno es muy resistente se detiene la prueba por rechazo, anotando la penetracin realizada y el nmero de golpes correspondiente. La prueba se puede dar por finalizada cuando (norma ASTM D1586-84):

Cuando se aplican 50 golpes para un tramo de

15 cm. Cuando se aplican 100 golpes en total. Cuando no se observa penetracin alguna para

10 golpes. En estos casos resulta prudente insistir en el golpeo pues bien podra tratarse de un bolo o grava gruesa

El toma muestras permite adems recoger una

muestra alterada del suelo que posibilita su identificacin. Normalmente esta muestra se introduce en un recipiente o bolsa en los que se indican en una etiqueta, adems de los datos de la obra, sondeo, profundidad, fecha, etc., los valores de golpeo obtenidos, por ejemplo:

5 / 7 / 6 / 8 12 / 13 / 21 / R: 50/5 cm

Figura 2-1: esquema de realizacin del ensayo SPT


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El valor del parmetro NSPT ser 7+6 = 13 en el primer caso y 13+21 = 34 en el segundo. Asimismo, para este segundo ejemplo se ha llegado al rechazo (50 golpes habiendo penetrado slo 5 centmetros.

En la Figura 2 se presenta un esquema de la cuchara SPT. En suelos con gravas suele sustituirse la zapata por una puntaza cnica maciza de 60, denominada puntaza ciega.

2.3 Aplicabilidad de la Prueba

El ensayo SPT es por naturaleza simple y puede ser intercalado con facilidad en cualquier sondeo de reconocimiento. Puede ejecutarse en casi cualquier tipo de suelo, incluso en rocas blandas o meteorizadas.

Los resultados de la prueba, difundida ampliamente en todo el mundo, se correlacionan empricamente con las propiedades especficas in situ del terreno. Existe una abundante bibliografa a este respecto.

La gran mayora de datos y correlaciones corresponden a terrenos arenosos. La presencia de gravas complica la interpretacin, cuando no impide su realizacin.

En resumen, el ensayo resulta apropiado para terrenos en los que predomina la fraccin arena, con reserva tanto mayor cuanto mayor es la proporcin de la fraccin limo-arcilla o de fraccin grava.

2.4 Factores que Afectan el Resultado

Los principales factores intrnsecos del sistema que afectan el valor NSPT son:

Preparacin y calidad del sondeo.

Longitud del Varillaje. Dimetro del sondeo. Pandeo del varillaje. Dispositivo de golpeo.

2.4.1 Preparacin del Sondeo

Una cuidadosa preparacin del sondeo es fundamental para garantizar la representatividad del ensayo.

El fondo del taladro debe estar limpio de desprendimientos de zonas superiores.

El sondeo debe realizarse de forma tal que sus paredes se mantengan estables para lo cual en muchas ocasiones es necesario entubarlo utilizando tubera de revestimiento o agregando lodos bentonticos al fluido de perforacin. La tubera de revestimiento debe mantenerse siempre por encima del nivel de inicio del ensayo.

Al trabajar por debajo del nivel fretico, debe mantenerse una columna de agua dentro de la tubera de revestimiento a fin de evitar sifonamientos ya que de lo contrario, el ensayo no se realizara en el suelo en su estado natural.

2.4.2 Longitud del Varillaje y Dimetro del Sondeo

La longitud del varillaje incide en el hecho de que el peso del elemento percutido aumenta con la profundidad al aadir varillaje suplementario.

La relacin Masa Percutiente / Masa Percutida disminuye con la profundidad del ensayo, lo que en un suelo homogneo debera traducirse en un aumento de parmetro NSPT. La relacin de masas es, no obstante, una fuente de un error poco

Figura 2-2: Tomamuestras o cuchara SPT. UNE 103-800-92 - ASTM D 1586/84


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importante (Cassan, 1982). Se puede evitar este efecto utilizando una corredera de golpeo dispuesta justo por encima del tomamuestras (en el fondo del taladro), dispositivo raramente utilizado en la prctica cotidiana.

Uto y Fujuki (1981) recomiendan la siguiente correccin de los valores NSPT cuando se ensaya a ms de 20 metros de profundidad:

l) 0,003-(1,06 N'- = N (2-1)

donde N' es el valor obtenido de NSPT y l la longitud del varillaje en metros.

Skempton (1986, Tabla 2-1 y Tabla 2-2) propone factores de correccin al valor NSPT medido de acuerdo a la profundidad del ensayo y el dimetro del sondeo:

Estas correcciones se refieren principalmente a suelos granulares. En suelos cohesivos la influencia del dimetro del sondeo es despreciable.

Longitud del Varillaje Factor de Correccin

> 10 m 1,00

6 a 10 m 0,95

4 a 6 m 0,85

3 a 4 m 0,75

Tabla 2-1: Correccin de N por la longitud del varillaje

Dimetro del Sondeo Factor de Correccin

65- 115 mm 1,00

150 mm 1,05

200 mm 1,15

Tabla 2-2: Correccin de N por el dimetro del sondeo

2.4.3 Dispositivo de Golpeo: Energa Liberada

Existen distintos tipos de dispositivos de golpeo que se ilustran en la Figura 2-3. El tercero de ellos (donut hammer) es el de uso ms frecuente en Espaa. La forma en que es movilizada la maza de golpeo afecta de forma rotunda el rendimiento de la energa liberada en el golpe. Existen dos dispositivos bsicos: Manual, con cuerdas y poleas (Figura 2-4) Desenganche automtico de la maza. En la

Figura 2-5 pueden apreciarse dos tipos de martillos automticos mecnicos. Existen

otros, como por ejemplo mediante sensores de cercana electromagnticos, etc.

Las normativas actuales slo contemplan los dispositivos automticos. Slo stos garantizan la repetitividad del golpeo y la altura de cada de la maza. En el sistema antiguo, manual, la velocidad de impacto est muy influenciada por el nmero de vueltas de la cuerda en las poleas, el estado de la cuerda, su longitud, su grado de humedad y la pericia (y cansancio!) del operador.

Figura 2-3: Distintos dispositivos de golpeo. Riggs, 1986

Figura 2-4: Mecanismo manual, Cestari (1990)

Figura 2-5: Mecanismos automticos mecnicos


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Figura 2-6: Influencia del nmero de vueltas en la polea (Kovacs, et al., 1978; Kovac, 1979 en Cestari, 1990

Se ha demostrado (Kovaks et al., 1978, 1979, 1981, 1982) que operando con 2 o con 3 vueltas de cuerda en el cabestrante, la eficiencia del sistema (ERi) pasa del 70% al 60%, terminando en el orden del 40% (Figura 2-6). Schmertman (1978, 1979) indicaba tambin que la energa del impacto suele oscilar tanto como del 30% al 80% de la terica.

Hoy da resulta posible medir mediante sensores la energa liberada en el momento del impacto. No debe olvidarse, no obstante, que las numerossimas correlaciones empricas con parmetros geomecnicos, estn realizadas en base a los ensayos realizados manualmente con una cuerda y un cabestrante.

2.4.4 Normalizacin por el Sistema de Hinca

Los factores de variabilidad dependientes de los distintos sistemas de hinca, se pueden tente en cuenta:

1. Siguiendo el procedimiento de referencia publicados en el ISSMFE 1988 que define exactamente las caractersticas geomtricas de todo el sistema (maza, yunque, varillaje, tomamuestras). Especificaciones recogidas en casi todas las normativas modernas. Con este dispositivo se obtiene un valor medio del rendimiento prximo o ligeramente superior al 60% de los 474 J tericos.

2. Midiendo el rendimiento del sistema mediante los dispositivos oportunos, se determina el

valor de N referido a un rendimiento de referencia del 60% (N60):

N' 476J*0.6

E = N r60% (2-2)

2.5 Correcciones de Nspt

Existen otros factores, independientes del propio sistema, que influencian el valor de NSPT que sern tratados a continuacin

2.5.1 Correccin por nivel fretico

En arenas gruesas o con gravas, la saturacin del terreno no afecta los resultados; en arenas finas y limos bajo el nivel fretico, Terzaghi y Peck recomiendan corregir el valor obtenido, si N>15, por la relacin:

215 N'- + 15 = N (2-3)

que traduce el debilitamiento de la resistencia al corte bajo el efecto de las presiones intersticiales en exceso que se generan en el momento del golpeo.

2.5.2 Normalizacin por la Presin de Confinamiento

El valor de N est influenciado por las sobrecargas debidas al peso de las tierras (Gibbs y Holtz, 1957) y se puede normalizar refirindolo a un valor unitario de la presin vertical efectiva v0 = 1 kp/cm2 a fin de comparar ensayos realizados a diferentes profundidades:

60N601 N C =) (N (2-4)

donde CN es el coeficiente de correccin, funcin de v0.

Se han propuesto diferentes expresiones de CN, bsicamente similares entre si. Liao y Whitman (1986a) resumen los datos publicados hasta esa fecha y analizan cada una de ellas. Los autores diferencian dos grupos: factores consistentes y factores inconsistentes, recomendando la utilizacin de los primeros, a la vez que proponenuna expresin ms simple de CN (ver tambin Figura 2-7):


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n'

v0

N1 = C

(2-5)

donde n = 0,5. Jamiolkowski et al. (1985) propusieron un valor de n = 0,56.

Figura 2-7: factor de correccin CN (Liao y Whitman, 1985)

Skempton (1986, Tabla 2-3), a su vez, propone diversas expresiones de CN segn el tamao de las partculas (vo en tsf).

De esta forma, teniendo en cuenta la normalizacin con respecto a la presin vertical efectiva y el rendimiento del sistema de hinca tratado en el epgrafe anterior, el valor normalizado se puede expresar como:

'0

imimN60

60N ER N

60ER C = N1

v (2-6)

2.6 Parmetros Geotecnicos: Terrenos Granulares

Existen numerosas correlaciones empricas con diversos parmetros geotcnicos. Debe entenderse claramente que estas relaciones son aproximadas y su uso resulta tanto ms adecuado cuanto mayor sea la experiencia de quien las utiliza.

)+,02,0

'01( v

Arenas finas y medias, sueltas

)+,03,0

'02( v

Arenas gruesas, densas

)+,70(1,7

'0v

Arenas finas sobreconsolidadas

Tabla 2-3: Expresiones de CN segn el tipo de suelo

2.6.1 Densidad Relativa

Terzaghi y Peck (1948) publicaron la primera correlacin entre NSPT y la Densidad Relativa (DR%), vlidas para arenas cuarzosas (Figura 2-8).

Se define la DR% como:

100 * e - ee - e

= %minmax

0maxDR (2-7)

o bien como:

- -

* = minmax

minmax

ap

ap

DR (2-8)

donde e es el ndice de huecos y ap es la densidad aparente.

2.6.1.1 DR% y la clasificacin de Terzaghi y Peck

En base a los valores de la DR%, Terzaghi y Peck establecieron lo que hoy es un clsico sistema de clasificacin de las arenas. Este sistema, modificado por Skempton en 1986 para tener en cuenta las normalizaciones del valor de N (N160) se presenta en la Tabla 2-4.


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Figura 2-8: Relacin entre N y DR%. Terzaghi y Peck, 1948

N160 DR% Compacidad

0 - 3 0 - 15 Muy Suelta

3 - 8 15 - 35 Suelta

8 - 25 35 - 65 Medianamente densa

25 - 42 65 - 85 Densa

42 - 58 85 - 100 Muy densa

Tabla 2-4: Clasificacin de Terzaghi y Peck (1948) modificada por Skempton (1986)

Figura 2-9: bacos de Gibbs y Holtz, 1957 comparado con el de Terzaghi y Peck de 1948. Elaboracin de Coffman (1960)

2.6.1.2 DR% y Presin de Confinamiento

Con posterioridad a los trabajos de Terzaghi y Peck, Gibbs y Holtz (1957), demostraron que el valor de N no depende solo de la DR%, sino tambin de la presin de confinamiento. En la Figura 2-9 se presenta una didctica construccin grfica de Coffman (1960) en la que se presenta el baco de Gibbs y Holtz comparado con el trabajo de Terzaghi y Peck de la Figura 2-8.

Para la aplicacin de este baco debe tenerse presente la compresibilidad de una arena. Un aumento de mica o carbonato, por ejemplo, hace que una arena sea ms compresible. Por lo tanto al aplicar el baco de Gibbs y Holtz en estos casos, debe tenerse presente (Cestari, 1990):

para valores DR < 70% los valores obtenidos del baco resultan superiores a los reales.

para valores bajos de tensin efectiva vertical (< 5 kPa), la DR% que se obtiene resulta demasiado alta.

no resulta apropiada para golpeos N


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'v0 b + a

N 0,2236 = 100 DR

(2-12)

siendo,

v0 a b

< 15 t/m2 1,00 0,20

> 15 t/m2 3,25 0,05

A su vez Giuliani y Nicoll (op. cit) propusieron:

606,0'0639,0188,4100 v

NDR+

= (2-13)

donde la tensin efectiva vertical est expresada tambin en t/m2.

Segn estos autores esta relacin se ajusta mejor que los bacos de Gibbs y Holtz para alto confinamiento (v0 > 20 t/m2) y para bajos golpeos y que las curvas de Bazaraa para bajos valores de v0.

Existen, adems de los expuestos, numerosos trabajos ms sobre la cuantificacin de la DR%. Muchos de ellos intentan explicar las desviaciones de los diferentes mtodos. Errores de hasta el 20% fueron indicados por Tvenas et al. (1973). Las mayores divergencias se observan para valores elevados de DR (Marcuson, 1977).

La tcnica del ensayo, as como la granulometra, composicin y angulosidad de las partculas son factores que juegan un papel importante en esta correlacin. Algunas de las correlaciones publicadas intentan tener en cuenta estos factores, teniendo en cuenta por ejemplo el Indice de uniformidad (Marcuson et al., 1977), etc.

2.6.1.3 DR%, Consideraciones Finales

Skempton (1986), resumiendo la informacin disponible hasta ese momento, comprueba que las correlaciones originales de Terzaghi y Peck son perfectamente vlidas si se utilizan los valores normalizados N160. Segn este autor, esta relacin puede expresarse como:

'v02

60 b + a = DR

1

N (2-14)

donde la tensin efectiva vertical est expresada en kp/cm2. Obsrvese que esta expresin es anloga a las de Meyerhof y Bazaraa.

Los parmetros a y b pueden ser considerados constantes en el entorno (Cestari, 1990) 0,85 > DR > 0,35 y 2,5 > vo > 0,5 kp/cm2.

El grado de sobreconsolidacin del depsito influye en la ecuacin anterior incrementando el valor del coeficiente b.

2.6.1.4 DR%, Comentarios Sobre la Edad de los Depsitos

A mayor edad de un depsito mayor ser su consolidacin y mayor ser la resistencia a la penetracin que se obtendr. Skempton (1986) ha intentado cuantificar el efecto de la edad de un depsito de la forma indicada en la Tabla 2-5.

Edad (aos) 2601

DRN

Ensayos de Laboratorio 10

-2 35

Depsitos Recientes 10 40

Depsitos Naturales 102 55

Tabla 2-5: Influencia de la edad de los depsitos. Sekempton, 1986

2.6.2 Angulo de Rozamiento Interno

Los datos que se obtienen del ensayo SPT permiten estimar el ngulo de rozamiento interno de los materiales granulares, bien indirectamente, deducido de los valores estimado de la DR. bien directamente a partir del valor NSPT (tendencia actual). Algunas de estas relaciones se indican a continuacin.

2.6.2.1 Angulo de Rozamiento y DR%

En la Figura 2-10 se presentan conjuntamente los bacos empricos propuestos por Meyerhof (1956) y Peck et al. (1974).


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Figura 2-10: : Estimacin de . Meyerhof (1956) y Peck et al. (1974). Grfica de Tornaghi, 1981

Las expresiones de Meyerhof se indican en la

Tabla 2-6:

> 5% arena fina y limo = 25 + 0,15 DR% < 5% arena fina y limo = 30 + 0,15 DR%

Tabla 2-6: DR y (Meyerhof, 1956)

Burmister (1948) propuso correlaciones entre DR y en funcin de la granulometra del suelo. Las expresiones de este autor ser presentan en la Tabla 2-7.

Gravilla uniforme = 38,0 + 0,08 DR Arena gruesa = 34,5 + 0,100 DR Arena media = 31,5 + 0,115 DR Arena fina = 28,0 + 0,140 DR

Tabla 2-7: Relaciones entre DR y segn Burmister (1948)

Mediante mtodos estadsticos Giuliani y Nicoll propusieron (1982):

0,866DR 0,361+ 0,575 = )(tg (2-15)

relacin no vlida para arenas finas limosas saturadas con bajos valores de N.

2.6.2.2 NSPT y Angulo de Rozamiento

Las correlaciones directas entre el valor NSPT y el ngulo de rozamiento evitan las aproximaciones de una doble correlacin y por eso numerosos autores las han preferido.

Existen otras numerossimas propuestas para estimar . Las dispersiones entre las distintas propuestas pueden ser notables. De entre ellas mencionaremos la de Muromachi (1974):

N * 3,5 + 20 = (2-16)

En la Figura 2-11 se presenta la correlacin de de De Mello (1971). Para valores bajos de v0 ( 38 (Cestari, 1990).

Figura 2-11: Estimacin de en funcin de NSPT y tensin efectiva vertical (De Mello, 1971)

2.6.3 Deformabilidad

En los terrenos granulares, la determinacin de los parmetros de deformacin representa un problema complejo en el que intervienen numerosas variables tales como la granulometra, composicin mineralgica, estructura, cementacin, historia tensional del depsito, etc.


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Existen numerosas (ms propiamente, numerossimas) correlaciones entre el valor de NSPT que permiten deducir reglas empricas o semiempricas a partir de las cuales se puede estimar los mdulos de deformabilidad.

En general se utiliza el mdulo confinado (edomtrico), aunque muchas veces esto no queda claro en la literatura ya que muchos autores hacer referencia simplemente a un mdulo de deformabilidad. Algunos autores denominan mdulo de Young a lo que otros haban especificado como confinado, etc.

Asimismo, se debera distinguir en base a que ensayos se establecen las correlaciones:

Ensayos de carga con placa en superficie Ensayos de carga en profundidad (screw plate) Ensayos presiomtricos Dilatmetro plano de Marchetti Ensayos edomtricos en laboratorio Observaciones de estructuras reales (back

analysis) Es decir, se debe distinguir entre campos de

esfuerzos istropos o desviatorios. Por otro lado, el mdulo determinado in situ no es un mdulo de elasticidad en sentido estricto, que representa un comportamiento reversible del terreno, sino que se trata de un parmetro constitutivo, que indica de forma sinttica una relacin tensin-deformacin de la situacin particular ensayada y difcilmente extrapolable a otras situaciones.

Se sugiere una precaucin a la hora de utilizar una correlacin u otra. Evidentemente correlaciones de tipo local son preferibles.

2.6.3.1 Mdulo Confinado

Mitchell y Gardner (1975) resumen una serie de trabajos publicados hasta esa fecha, detallando el tipo de suelo y la base de cada mtodo. Estas correlaciones con el Mdulo Confinado se presentan el la Figura 2-12. Se observa la enorme dispersin de los valores y es evidente la necesidad de estudios referenciados. De estas correlaciones, slo la de Schultze y Meltzer (1965) tienen en cuenta la presin de confinamiento.

Natarajan y Tolia (1977) efectan tambin una revisin de publicaciones, concluyendo que la DR y v0 deben tambin tomarse en consideracin.

Figura 2-12: Relacin entre el Mdulo Confinado y el valor de NSPT (Mitchell y Gardner., 1975)

Las relaciones entre NSPT y Es, pueden expresarse de forma general mediante la relacin lineal emprica:

2spt1 S + N S = sE (2-17)

Algunos valores de estas constantes se presentan en la Tabla 2-8 (Denver, 1982).

Los valores de D'Appolonia son considerados demasiado conservadores. En este mismo trabajo, Denver (op cit.) propone la relacin:

(MPa) N 7 = E (2-18)

2.6.3.2 Mdulo de Young

En arenas cuarzosas no cementadas se puede utilizar como aproximacin la Figura 2-13 obtenida de ensayos de penetracin esttica CPT en cmaras de calibrado adoptando una razn qc/NSPT = 4,5


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Figura 2-13: Evaluacin del Mdulo de Young a partir de ensayos CPT para arenas cuarzosas (Bellotti et al., 1989).

S1 (MPa)

S2 (MPa) Observaciones Autores

0,756 18,75 Arenas y gravas normalmente consolidadas

DAppolonia et al. 1970

1,043 36,79 Arenas

sobreconsolidadas

DAppolonia et al. 1970

0,517 7,46 Schultze y

Menzenbach, 1961

0,478 7,17 Arenas saturadas Webb, 1969

0,316 1,58 Arenas y arcillas Webb, 1969

Tabla 2-8: Valores de S1 y S2 de la ecuacin 19. Denver, 1982

2.6.3.3 Mdulo de Corte Dinmico G0

El mdulo de corte dinmico para pequeos esfuerzos, G0, se puede estimar indirectamente correlacionando el valor del NSPT con la velocidad de propagacin de las ondas de corte transversales Vs.

Distintos autores han presentado correlaciones NSPT-Vs. Entre ellos, Ohta y Goto (1978), Yoshida et al. (1988), Kokusho y Yoshida (1998) para

sueos con gravas. Ver Tabla 2-9 donde Vs se expresa en m/s y v0 en kPa.

El mdulo G0 puede entonces estimarse a partir de:

gVG s

=

20 (2-19)

donde es la densidad (kN/m3) y g es la aceleracin de la gravedad (m/s2).

Tabla 2-9: Correlacin entre Vs y NSPT (Yoshida et al., 1988)

2.7 Otras Correlaciones en Suelos Granulares

En la Tabla 2-10 elaborada por Hunt (1984) se presentan correlaciones de los parmetros bsicos de suelos granulares clasificados de acuerdo al criterio de Casagrande. Entre estos parmetros se indica el valor del NSPT.

2.8 Cimentaciones Superficiales: Tensin Admisible y Asientos

Se han propuesto numerosos mtodos para calcular directamente la carga admisible y los asientos de una cimentacin superficial en base al valor NSPT. Casi todos ellos estn basados en observaciones directas y anlisis retrospectivos de asientos de estructuras y relacionan la carga de trabajo, el asiento y el ancho de la cimentacin.

Estos mtodos slo deben considerarse como ayudas al diseo de una cimentacin y deben utilizarse con suma precaucin.

2.8.1 Mtodo de Terzaghi y Peck, 1948

La primera de estas relaciones fue presentada en forma de baco por Terzaghi y Peck (1948) y se reproduce en la Figura 2-14. Estas curvas corresponden a un asiento mximo de 2,5 cm (1) y un asiento total diferencial de 1,9 cm (3/4).

La experiencia ha demostrado, no obstante, que esta aproximacin es extremadamente

Tipo de Suelo Vs

Arena Fina 14,0'

025,049 vSPTs NV =

25% de grava 14,0'

025,056 vSPTs NV =

50% de grava 14,0'

025,060 vSPTs NV =

General 14,0'

025,055 vSPTs NV =


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conservadora. Se han presentado numerosas correcciones basadas en este mtodo con el objetivo de hacerlas ms realistas. Las expresiones generales para estas relaciones son del tipo:

2

1

+

=

BB

NqCs

SPT

(2-20)

21

+

=

BB

CNsq SPT (2-21)

siendo C una constante emprica determinada a partir de observaciones experimentales. B se expresa en ft, q en tsq y s en pulgadas.

Figura 2-14: Tensin admisible para asientos de 2,5 cm en funcin del golpeo NSPT y el ancho de cimentacin. Terzaghi y

Peck, 1948.

Estas expresiones pueden corregirse por el efecto del empotramiento de la cimentacin y de la presencia del nivel fretico.

El efecto beneficioso del empotramiento se traduce en una disminucin de asientos o, inversamente, en un aumento de la tensin admisible, corrigiendo por factores de empotramiento CD y de presencia del nivel fretico, CW.

Las expresiones analticas de las curvas de Terzaghi y Peck de fueron presentadas por Meyerhof (1956):

SPTNqs = 8 para B < 4 ft (2-22)

2

112

+

=

BB

Nqs

SPT para B > 4 ft (2-23)

SPTNqs = 12 para cimentaciones corridas (2-24)

donde: s = asiento (pulgadas) q = tensin aplicada (t/pie2 = tsf) B = ancho de la cimentacin (pies) Cw y CD son los factores de nivel fretico y de empotramiento, respectivamente.

22

2

=

BD

C ww (2-25)

para cimentaciones superficiales y

25,02

=

BD

C fw (2-26)

para cimentaciones sumergidas donde Df Dw, siendo Df la profundidad de la cimentacin y DW la profundidad del nivel fretico

El factor CD se define como:

BD

C fD 25,01= (2-27)

Ensayos Geotcnicos in situ: Ensayo SPT .M. Devincenzi y N. Frank

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Tabla 2-10: propiedades comunes de los suelos no cohesivos (Hunt, 1984).

Material Compacidad Dr (%) N1 Densidad

seca

d (g/cm3)

Indice de poros

e

Angulo de rozamiento interno

GW: Gravas bien graduadas,mezclas de gravas y de arena

Densa

Medianamente densa

suelta

75

50

25

90

55


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2.8.2 Mtodo de Meyerhof, 1956, 1965

Meyerhof, propuso para asientos limitados a 1 (2,5 cm):

DSPT

ad CBBNq

+=

2

21

3 (2-28)

donde B se expresa en pies y q en tsf. Para losas y pozos, el valor de q se duplica.

El factor CD lo define como:

33,133,01 +=B

DC fD (2-29)

2.8.3 Mtodo de Teng, 1962

Basado en los bacos de Terzaghi y Peck y tiene en cuenta correcciones por el empotramiento y la presencia del nivel fretico. La expresin del asiento es:

Dwc CCBB

Nq

s

+

=

11

2)3(720

20

(2-30)

donde q0 es la carga aplicada neta en tsf.

Nc es el valor corregido de NSPT:

+=

1050

'0v

c NN

(2-31) v0 en psi

CD es el factor corrector por empotramiento:

0,21

+=

BD

C fD (2-32)

Cw es el factor de correccin por la presencia del nivel fretico para :

5,05,05,0

+=

BDD

C fww (2-33)

2.8.4 Mtodo Peck y Bazaraa, 1969

Para arenas sobre el nivel fretico, Peck y Bazaraa propusieron la Figura 2-15.

Figura 2-15: qad para asientos de 2,5 cm en funcin del valor NSPT para cimentaciones superficiales. Peck y Bazaraa (1969)

2.8.5 Mtodo Schultze y Sherif, 1973

En base a observaciones directas en 48 cimentaciones superficiales, estos autores realizaron un anlisis estadstico y propusieron la siguiente expresin del asiento en centmetros:

Dl

CBBN

fBqs

= 5,087,071,1

(2-34)

donde:

q se expresa en kp/cm2 y no se reduce por el efecto de la excavacin.

B es el ancho de la cimentacin en cm

Bl = 1cm

f es un factor de influencia que depende de B/L, siendo L el largo de la cimentacin y el espesor del estrato compresibley CD es el factor corrector por empotramiento:


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BD

C fD += 4,01 (2-35)

2.8.6 Mtodo Peck Hanson y Thornburn, 1974

Estos autores presentaron un nuevo baco basado en los de Terzaghi y Peck de uso muy extendido y que se presenta en la Figura 2-18.

2.8.7 Mtodo Burland et al., 1977

Burland, Broms y De Mello propusieron un mtodo basado en las observaciones de casos reales. La propuesta de estos autores result novedosa ya que observaron que es posible asignar un lmite superior a la razn asiento/tensin (smax/qad) para distintos tipos de arenas (de sueltas a densas) caracterizadas por los valores de NSPT y en funcin del ancho de la cimentacin como puede observarse en la Figura 2-17. El mtodo es particularmente aplicable para anchos B > 3 metros (Cestari, 1990).

2.8.8 Mtodo Bowles, 1977, 1982, 1996

Este autor basa su mtodo en la modificacin de las propuestas de Terzaghi y Peck y de Meyerhof con el fin de obtener resultados no tan conservadores. Segn afirma, los resultados obtenidos de tensin admisible son hasta un 50% superiores a stos.

Para un asiento de 1 (2,5 cm), este autor propone las expresiones de tensin admisible:

DSPT C

FNq =

1

, para B 1,2 m o 4ft(2-36)

DSPT C

BFB

FN

q

+=

3

2

para B>1,2 m o 4ft (2-37)

DSPT C

FNq =

2

para losas (2-38)

siendo CD el mismo factor de empotramiento propuesto por Meyerhof (1965):

33,133,01 +=B

DC fD (2-39)

y los factores F definidos en la Tabla 2-11.

Los bacos, anlogos a los de otros autores, se presentan en la Figura 2-16.

Sistema Internacional Sistema FPS (US)

F1 0,05 2,5

F2 0,08 4,0

F3 0,3 1,0

Tabla 2-11: Factores F de Bowles

Figura 2-16: Tensin admisible cimentaciones superficiales para asientos de 2,5 cm. Bowles, 1977, en Bowles, 1996


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Figura 2-17: Valoracin del asiento en arenas en funcin del valor NSPT. Burland, Broms y De Mello, 1977

Figura 2-18: Tensin admisible para cimentaciones superficiales en arenas a partir del valor NSPT, ancho de la cimentacin B y empotramiento Peck, Hanson y Thornburn (1973).


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2.8.9 Tensin Admisible y Asientos: Cometarios

Aparte de los mtodos brevemente descritos, existen en la literatura muchos ms. Talbot (1981) menciona hasta 40. Otros autores como Oweis (1979) y Nixon (1982) han presentado revisiones de estos mtodos.

Algunos de los mtodos utilizan como se ha visto directamente el valor del ensayo y otros son elsticos en el sentido de que sustituyen el valor del mdulo de deformacin con aquel correlacionado del golpeo NSPT (DAppolonia et al., 1970, Parry, 1971, Schultze y Sherif, 1973, Alpan, 1964, etc.).

El valor de NSPT adoptado corresponde generalmente al valor medio para la zona de influencia de la cimentacin, entre 0,5 B por encima de la cota de apoyo y 2 B por debajo de la misma. La presencia de capas blandas afecta negativamente y este hecho debe ser tenido en cuenta.

La aplicacin de estos mtodos debe hacerse con suma precaucin.

2.9 Resistencia a la Licuefaccin de una arena

Si bien el ensayo CPT permite obtener una informacin ms precisa, el ensayo SPT puede resultar til para estimar el potencial de licuefaccin de depsitos arenosos, siempre que los datos obtenidos sean lo suficientemente representativos de la variabilidad de las facies granulomtricas. Los valores deben estar debidamente normalizados.

La licuefaccin de un suelo granular saturado sobreviene como resultado de un rpido incremento de la presin intersticial, derivado de la accin de un esfuerzo cclico de las ondas ssmicas. La presin del fluido que ocupa los poros puede alcanzar un valor tal que anule la presin efectiva del suelo, que pasa a comportarse como un fluido.

El potencial de licuefaccin depende de la relacin entre el esfuerzo de corte cclico medio que acta sobre planos horizontales del suelo durante la carga ssmica y los esfuerzos efectivos verticales que actan sobre el suelo antes de dicha carga.

El ndice utilizado para determinar la resistencia a la licuefaccin de un terreno CSR (Cyclic stress ratio) fue definido por Seed e Idriss (1971).

dv

v

v

av rg

aCSR == '0

0max'0

65,0

(2-40)

donde amax es la aceleracin mxima en la superficie del terreno y rd es un factor de reduccin que da cuenta de la flexibilidad del perfil del terreno.

Para proyectos no crticos se pueden utilizar las ecuaciones propuestas por Liao y Whitman (1986) para estimar el valor de rd:

zrd = 00765,00,1 para z 9,15 m (2-41)

zrd = 0267,0174,1 para 9,15 m z 23 m (2-42)

Los primeros estudios de Seed e Idriss, 1982 Seed et al., 1985 y Tokimatsu y Yoshimi, 1983 se presentan la Figura 2-19 que muestra la relacin entre el CSR y el valor de NSPT corregido (N160), para terrenos arenosos con menos de un 5% de finos que han mostrado fenmenos de liquefaccin bajo la accin de terremotos de grado de magnitud 7,5. La lnea curva trazada en la figura indica el lmite entre terrenos potencialmente liquefactables y no liquefactables segn los estudios de. Esta curva se denomina CRR y es la que permite evaluar la resistencia a la licuefaccin.

Resultados similares se obtuvieron en ensayos de laboratorio con muestras de arenas obtenidas por congelamiento (Yoshimi et al., 1984, 1988) y para muestras reconstituidas.

2.9.1 Influencia del Contenido de Finos

Seed et al. (1985) notaron un aparente incremento del CRR con el incremento de finos (% que pasa por el tamiz ASTM 200). Si este incremento es debido a un incremento de la resistencia a la liquefaccin o a un menor golpeo es algo que no est claro. La Figura 2-20 ilustra esta tendencia para terremotos de una magnitud de M = 7,5. Se aprecia como la curva CRR se desplaza hacia la izquierda del grfico al aumentar el porcentaje de finos.

Se debe tener presente que la plasticidad de los finos debe jugar un papel importante si bien no se han presentado estudios en este sentido.


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Figura 2-19: Estimacin del potencial de liquefaccin. Seed et al., 1985 y Tokimatsu y Yoshimi, 1983. En Cestari, 1990.

Figura 2-20: Relacin entre el valor Nspt normalizado (N1)60 y el potencial de licuefaccin para arenas con diferentes porcentajes

de finos (Youd e Idris, 2001)

La Figura 2-20 presentada recientemente por Youd e Idriss (2001) es una actualizacin de las curvas originales presentadas por Seed e Idriss (1982) y Seed et al. (1985), con un mejor ajuste para bajos valores de N160 y que refleja una

mayor consistencia con las curvas CRR desarrolladas a partir de ensayos CPT y de ensayos ssmicos (Vs).

La curva para arenas limpias de la esta figura puede expresarse de forma aproximada por la siguiente equacin (Youd e Idriss, 2001):

[ ] 2001

45)(1050

135)(

)(341

2601

601

6015,7

+++

=

NN

NCRR

(2-43)

2.9.2 Magnitud del Terremoto

La magnitud del terremoto puede ser tenida en cuenta asumiendo que el nmero de ciclos de las ondas de corte aumenta con la magnitud del terremoto.

En la Figura 2-21 se presentan las curvas propuestas por Tokimatsu (1988) a partir de estudios de laboratorio sobre muestras de arenas obtenidas por la tcnica de congelacin.

Figura 2-21: Relacin entre el valor Nspt normalizado (N1)60 y el potencial de licuefaccin para arenas con para distintas

magnitudes de sismos (Tokimatsu, 1988, en Cestari , 1990)

2.10 Suelos Cohesivos

En los terrenos cohesivos, las correlaciones basadas sobre los resultados del ensayo spt slo deben considerarse orientativas.


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La dispersin de las correlaciones en suelos cohesivos es mucho mayor que en los terrenos granulares. Las presiones insterticiales que se generan en el momento del golpeo y los rozamientos parsitos afectan substancialmente los resultados.

2.10.1 Resistencia a la Compresin Simple

Muchos investigadores han intentado realizar correlaciones entre el valor de NSPT y la resistencia a la compresin simple de suelos arcillosos. La dispersin de los resultados obtenidos es muy grande, como puede apreciarse en la Figura 2-22 (NAVFAC, 1971).

En la Tabla 2-12 se presentan tambin correlaciones entre el golpeo NSPT, la densidad saturada y la resistencia a la compresin simple segn la adaptacin de Hunt (1984) a los trabajos de Terzaghi y Peck (1948).

Figura 2-22: Valores de la resistencia a compresin simple a partir de Nspt para suelos cohesivos de distinta plasticidad.

NAVFAC, 1971 en IGME, 1987

Tabla 2-12: Propiedades de suelos arcillosos. Hunt, 1984, en IGME, 1987

2.10.2 Parmetros de Deformabilidad

La estimacin de parmetros de deformabilidad en suelos arcillosos en base al golpeo NSPT slo es factible sobre la base de experiencia local y en depsitos geotcnicamente bien caracterizados.

2.11 Correlaciones Con Otros Ensayos In Situ

2.11.1 Correlaciones con el CPT

Numerosos estudios se llevaron a cabo para relacionar el valor NSPT y la resistencia por punta qc del ensayo de penetracin esttica CPT. Robertson et al. (1983) efectuaron una recopilacin de estos trabajos cuyo resultado se muestra en la Figura 2-23.

Los valores de de NSPT utilizados por estos autores corresponden a una energa de aproximadamente el 60% (NSPT60). Se observa que la razn qc/NSPT60 aumenta con el tamao medio de grano D50 (variando entre 0,001 y 1 mm) as como tambin la dispersin de datos.

Otras correlaciones se han efectuado entre la razn qc normalizada por la presin atmosfrica pa y el valor NSPT con el contenido de finos (Kulhawy y Mayne, 1990, Figura 2-24). Si bien existe dispersin, se observa como la relacin disminuye claramente al aumentar el contenido de finos.

Figura 2-23: Relacin entre NSPT y qc del ensayo CPT con el tamao medio de grano D50. Robertson et al., 1983.

Consistencia N Identificacin manual

sat

g/cm3

qu (kg/cm2)

Dura >30 Se marca difcilmente >2.0 >4.0

Muy rgida 15 30 Se marca con la ua

del pulgar 2.08 2.24 2.0-4.0

Rgida 8 15 Se marca con el

pulgar 1.92 2.08 1.0-2.0

Media 4-8 Moldeable bajo presiones fuertes 1.76 1.92 0.5-1.0

Blanda 2-4 Moldeable bajo presiones dbiles 1.60 1.76 0.25-0.5

Muy blanda


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Figura 2-24: Relacin entre qc normalizado/NSPT y el contenido de finos Kulhawy y Mayne, 1990

Estas correlaciones necesitan bien el valor de D50 o el % de finos determinado a partir de un anlisis granulomtrico. Si no se dispone de l se pueden utilizar los valores de la Tabla 2-13 basada en los bacos de clasificacin de suelos a partir del ensayo CPT propuesta por Robertson et al. (1986).

Tabla 2-13: Relacin entre el tipo de suelo y (qc/pa)/N60. Robertson et al., 1986

2.11.2 Correlaciones con el ensayo de Penetracin Dinmica Borros y DPSH

2.11.2.1 Suelos Granulares

Jimnez Salas et al. (1981) recogiendo resultados de diferentes autores propusieron:

44,0668,0035,0log += SPTborros NN (2-44)

116,16,15log25 = borrosSPT NN (2-45)

La relacin entre el ensayo de penetracin

dinmica tipo Borros y el actual DPSH es:

borrosDPSH NN = 7,0 (2-46)

2.11.2.2 Suelos Cohesivos

Para suelos cohesivos Dapena et al. (2000) han propuesto:

2log13 = DPSHSPT NN (2-47)

2.12 Bibliografa SPT

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Tipo de Suelo (SBT) (qc/pa)/N60

Sensitivo de grano fino 2

Material Orgnico 1

Arcilla 1

Arcilla a arcilla limosa 1,5

Arcilla limosa a limo arcilloso 2

Limo arcilloso a arena limosa 2,5

Limo arenoso a arena limosa 3

Arena limosa a arena 4

Arena 5

Arena a arena con gravas 6

Muy rgido grano fino 1

Arena arcillosa OC 2


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