MECÁNICA DE SUELOS Y ROCAS
ENSAYO DE SPT
ENSAYO DE SPT (SISTEMA DE PENETRACIÓN ESATNDAR) I.
INTRODUCCIÓN:
El ensayo de penetración estándar (SPT), desarrollado por Terzagui a finales de los años 20, es el ensayo in situ más popular y económico para obtener información geotécnica del subsuelo. Standard Penetration Test es un sondaje In Situ mundialmente conocido como SPT. Consiste en hundir una serie de barras de acero terminadas en un cilindro hueco llamada cilindro de Terzaghi dentro del suelo mediante golpes repetidos. Con este ensayo se determina el tipo de suelo, si posee o no compacidad y/o consistencia, además de la resistencia a la penetración. La norma ASTM D1586 fue actualizada tras introducir conceptos de corrección y evaluación de licuefacción de materiales granulares incoherentes para convertirse en la norma ASTM D6066.
II.
OBJETIVOS:
Determinar la Compacidad y la Capacidad de Soporte del suelo no cohesivo. Tomar muestras representativas del suelo. Hallar correlación entre: El número de golpes, N, medido y la compacidad
y la resistencia a la compresión simple por medio de tablas o ábacos ya existentes
III.
FUNDAMENTO TEORÍCO:
3.1.
CONCEPTO:
El ensayo SPT se realiza en el interior de sondeos durante la perforación, consiste básicamente en contar el número de golpes (N) que se necesitan para introducir dentro de un estrato de suelo, un toma muestras (cuchara partida hueca y cilíndrica) de 30 cm de largo, diámetro exterior de 51mm e interior 35mm, que permite realizar tomas de muestra naturalmente alterada en su interior, a diferentes profundidades (generalmente con variación de metro en metro).El peso de la masa esta normalizado, así como la altura de caída libre, siendo éstos respectivamente63.5 kg y 76.2 cm. SEMPÉRTEGUI DÍAZ RICHAR
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Este ensayo es uno de los más antiguos en geotecnia, y su uso universal y durante décadas, en todo tipo de terrenos, ha permitido establecer numerosas correlaciones con otros parámetros geotécnicos, así como la difusión de fórmulas empíricas para cálculos directos de capacidad portante y asentamientos, entre otros. Inicialmente, el sistema de elevación y caída de la maza era de tipo manual, mediante un sistema de cabrestante, poleas y cuerdas. Evidentemente la energía de golpeo que suministraba este método no correspondía al 100% de energía teórica de una caída totalmente libre, ya que las pérdidas por rozamiento y otros factores restaban parte de la energía teóricamente disponible. Este ensayo se realiza en depósitos de suelo arenoso y de arcilla blanda; no es recomendable llevarlo a cabo en depósitos de grava, roca o arcilla consolidada, debido a los daños que podría sufrir el equipo de perforación al introducirlo dentro de dichos estratos.
3.2.
ELEMENTOS QUE AFECTAN EN EL DESARROLLO DEL ENSAYO:
El resultado de los ensayos SPT pueden ser afectados por factores como:
3.2.1. Preparación y calidad del sondeo : limpieza y estabilidad de las paredes de perforación.
3.2.2. Longitud del varillaje y diámetro del sondeo : condicionan el peso del elemento a hincar y la fricción con las paredes del sondeo.
3.2.3. Dispositivo del golpeo : puede ser manual o automático, existiendo diferencias notables entre los resultados de ambos. Deben emplearse dispositivos automáticos, pues garantizan la aplicación de misma energía de impacto en todos los casos.
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3.3.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS:
3.4.
APLICACIONES DEL SPT:
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3.4.1. SUELOS FRICCIONALES O NO COHESIVOS: Los resultados del SPT pueden correlacionarse con algunas propiedades mecánicas de los suelos, y en especial en lo referente a las arenas. Las primeras referencias sobre el uso del SPT en arenas están citadas en (Terzaghi y Peck) representadas en una tabla que correlaciona el valor de N con la densidad relativa en arenas. La densidad relativa (Dr) de una arena tiene una influencia importante en el ángulo de fricción interna (Φ), en su capacidad de carga y en el asentamiento de fundaciones que se apoyan sobre este material. Por ejemplo si una arena sumergida es muy suelta, un choque brusco puede producir una potencial liquefacción del material (suspensión). En estado denso la misma arena es insensible a los choques y por lo tanto adecuada como base de las estructuras más pesadas. De allí la importancia de la densidad relativa frente a las demás propiedades a excepción de la permeabilidad.
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3.4.2. SUELOS COHESIVOS: La consistencia de las arcillas y de otros suelos cohesivos se describe con los términos: Muy blando, blando, medianamente compacto, compacto, muy compacto y duro. La medición cuantitativa básica de la consistencia es la resistencia a la compresión simple (qu). Esta resulta representativa en los suelos arcillosos saturados uniformes, en el caso de las arcillas marinas, mientras que en el caso de suelos arcillosos de origen residual, eólico, fluvial, los cuales poseen una falta de uniformidad en su masa y pueden desarrollar microfisuras, el valor de la resistencia a la compresión simple tiene vacilaciones importantes. En este caso la metodología más adecuada para medir la resistencia al corte en el laboratorio es por medio de ensayos triaxiales. En las perforaciones de exploración del subsuelo se puede estimar groseramente la resistencia al corte de las arcillas por medio de los ensayos de penetración. Se observa la relación aproximada entre el N de cuchara partida y la resistencia a compresión simple (qu) de las arcillas saturadas.
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3.5.
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CÁLCULOS:
El valor de N (Número de golpes necesarios para hincar un toma-muestras de 30 cm. de longitud en un estrato de suelo, una profundidad que generalmente varía de metro en metro) se determina sumando los valores de N1 + N2, entonces: N=N1+N2 Donde: N1: Número de golpes necesarios para hincar él toma-muestras 15cm. N2: Número de golpes necesarios para hincar él toma-muestras otros 15 cm. A partir del N del ensayo S.P.T. se pueden determinar la Resistencia a la Penetración y la Presión Admisible.
3.5.1. Resistencia a la penetración:
3.5.2. Presión Admisible:
3.5.3.
En nuestra práctica el valor de la resistencia a la compresión simple (qu) es: SEMPÉRTEGUI DÍAZ RICHAR
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Otro parámetro que se puede determinar a partir del N obtenido y de la clasificación posterior del suelo, es el Grado de Compacidad en caso de suelos arenosos y la consistencia en caso de suelos arcillosos, esto mediante tablas que relacionan los mencionados valores:
COMPACIDAD Grado de N (Suelo Compacidad (S.P.T.) Granular)
Resistencia a La Penetración Estática
Muy suelta
< 0.2
<4
< 20
Suelta
0.2 – 0.4
4 – 10
20 – 40
Compacta
0.4 – 0.6
10 – 30
40 – 120
Densa
0.6 – 0.8
30 – 50
120 – 200
Muy Densa
> 0.8
> 50
> 200
CONSISTENCIA (Suelos Cohesivos)
N (S.P.T.)
Muy blanda Blanda Mediana Compacta Muy compacta Dura
<2 2-4 4-8 8 - 15 15 - 30 > 30
< 30 30 – 35 35 – 40 40 – 45 > 45
(kg/cm2)
Resistencia a la Compresión Simple < 0.25 0.25 – 0.50 0.5 – 1 1 – 2 2 – 4 >4
3.5.4. INFLUENCIA DEL NIVEL FREATICO: La cuchara normalizada, puede variar en la arena fina, según la situación del nivel freático. Si llamamos N’ al número de golpes registrados en un ensayo realizado por debajo del nivel freático, el valor equivalente N que debe considerarse en el cálculo que está dado por la expresión siguiente debida a Terzaghi y Peck.
3.5.5. CAUSAS DEL ERROR: es evidente que las relaciones anteriormente señaladas solamente son aproximadas. En efecto, pueden influir en los valores de N muchos factores y particularmente:
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El estado de la superficie inferior y exterior de la cuchara, que si están oxidadas o abolladas pueden modificar considerablemente el rozamiento en las capas atravesadas. La posición del nivel freático respecto del ensayo. La forma y la superficie de los orificios o ventanas de expulsión del agua. La posición relativa del fondo del taladro con respecto al límite inferior del entubado al comienzo de la hinca. El tiempo transcurrido entre la perforación del taladro y la ejecución del ensayo SPT propiamente dicho. Por último, la flexibilidad del varillaje que absorbe una parte de la energía. En el caso de sondeos muy profundos, Camnefort ha propuesto eliminar este inconveniente utilizando en la hinca una destiladora.
Entre los factores importantes que pueden afectar a los resultados del SPT, Fletcher señala además:
La variación de altura de caída de la maza. El empleo de varillaje más pesado que el previsto. La elevada longitud de varillaje (por encima de 15 cm.). La caída libre de la masa obstaculizada por cualquier causa. El descuido en el número de golpes o en la medida de la penetración.
Es fundamental no sobre valorar la significación del calificativo Standard. Efectivamente, las características de los aparatos no son uniformes en los distintos países, e incluso dentro de un mismo país, como en Estados Unidos o en el Brasil, por ejemplo donde hay varios tipos de SPT.
IV.
EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS: Trípode y motor que va a permitir dar los golpes necesarios. Accesorios del SPT. Martillo o yunque de penetración (66 lb). Posteadora. Wincha. Caña partida.
V.
PROCEDIMIENTO:
El método de Penetración Estándar es el más ampliamente usado para la exploración de suelos, y comprende dos etapas:
5.1.
EL SONDEO: SEMPÉRTEGUI DÍAZ RICHAR
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1. Se coloca el trípode, el cual tiene que estar nivelado (formando un triángulo equilátero). 2. Una vez que está armado el equipo del ensayo se procede a realizar un sondeo, hasta la profundidad establecida. En este caso el sondeo se realizó por el método de barrenos (posteadora). 3. El sondeo se realiza a ciertas profundidades, de tal forma en que se puedan apreciar los cambios de estratos. 4. Se anotan los cambios de estratos y las profundidades en los que se encontraron. 5. Una vez que se llegó a la profundidad determinada se empieza la otra parte del ensayo.
5.2.
EL MUESTREO:
6. Se arman todos los accesorios del SPT; uniéndole la caña partida en la parte inferior. 7. Se introduce la caña dentro de la perforación que se hizo. 8. Colocamos en la parte superior el yunque sujetándolo con una soga al motor. 9. Hacemos una señal en el varillaje cada 15 cm hasta. (Se hacen tres señales; es decir la profundidad que se va introducir el muestreador es a 45 cm.) 10. Se empiezan a dar los golpes al varillaje con el yunque y se va llevando el conteo de éstos. 11. Anotamos con cuantos golpes se llegó a los 15 cm, luego a los 30 cm y finalmente a los 45 cm. 12. Se saca las varillas y el muestreador y observamos la muestra que se ha extraído en la caña partida. 13. Se desarma todo el equipo del SPT.
VI.
RESULATDOS:
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VII.
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RECOMENDACIONES: SEMPÉRTEGUI DÍAZ RICHAR
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El ensayo debería realizarse bajo constante para una correcta aplicación.
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supervisión del profesor
Usar todos equipamientos de seguridad necesaria para la realización de este ensayo.
VIII. ANEXOS:
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