Repaso a los factores de correción en el SPT

El presente post solo pretende hacer una descripción y recopilatorio de los factores que pueden afectar a este ensayo y las correcciones existentes en la bibliografía.

El ensayo de SPT (Standard Penetration Test) es un ensayo de golpeo que se realiza en el interior de un sondeo geotécnico y es uno de los ensayos más extendidos por todo el mundo. En España esta normalizado por la Norma UNE 22476-3. Aunque existen otros ensayos de penetración, es a partir del ensayo de SPT del que mas correlacciones con los parámetros del suelo se han estudiado y obtenido.

De manera muy simple consiste en la introducción en el fondo de un sondeo geotécnico, de un tomamuestras normalizado, unido a un tren de varillas, mediante el golpeo en la cabeza de ellas, de una maza de 63.5 kg de peso, que cae desde una altura de 76 cm. El golpeo se contabiliza en tres tramos de 15 cm de avance cada uno, denominándose valor N a la suma de los dos últimos valores.

Aunque el ensayo esta normalizado existen multitud de factores que pueden afectar al resultado, alguno de ellos achacables a una “mala práctica”.

• Puede ocurrir que la penetración de agua en el fondo del sondeo afloje, por sifonamiento, el terreno. Por tanto, debe intentarse que el nivel de agua, o fluido empleado en la perforación del sondeo, sea superior al nivel piezométrico del terreno.
• Una inadecuada limpieza del agujero
• Que la energía aplicada varíe, puede ocurrir por muy diferentes motivos:
  • Maza de diferente peso, o altura de caída a la normalizada
  • Perdidas por rozamiento en la caída de la maza
  • Varillaje con distinto peso estándar, con uniones flojas o barras torcidas que desvían el ensayo de la vertical
  • Guías defectuosas o descentradas que provocan un golpeo excéntrico
  • Tomamuestras deteriorado
  • Excesivo diámetro del sondeo
  • Falsos rechazos provocados por la presencia de bolos

Otros que tendrán que ver con el propio ensayo aunque también independientes a este

• Longitud del varillaje
• Diámetro del sondeo
• Pandeo del varillaje
• Dispositivo de golpeo
• Una inadecuada limpieza del agujero

Y otros están vinculados a la naturaleza del terreno.

• Presión de confinamiento
• Presencia del nivel freático

Aunque en la práctica, no todos estos factores se tienen en cuenta, conviene saber los condicionantes que pueden afectar a los valores obtenidos.

Factores que afectan a los valores obtenidos del SPT.

En los primeros ensayos de este tipo, la caída de la maza era manual, pero actualmente está mecanizado garantizando así una misma cadencia de golpeos y altura de caída de la maza, entre otros, y en consecuencia con un aumento del rendimiento, ya que parte de la fricción y otros condicionantes se eliminaron. Sin embargo, las fórmulas que se aplican siguen siendo las mismas desarrolladas durante el uso del sistema manual, por lo que parece obvio que este sería un primer factor a ajustar. Así pues, la primera corrección a aplicar en los valores obtenidos del ensayo seria la corrección por la energía aplicada. Este valor de energía teórico seria de 473 J, obtenido de multiplicar el peso de la maza (63.5 kg) por la gravedad y por la altura de caída (0.76 m). Pero diversos estudios (Seed et al. 1985, Skempton, 1986, Cestari, 1990) demostraron que el método manual usado hasta no hace mucho desarrollaba una energía del 60 %. Por tanto los valores a aplicar en todas las correlaciones debían corregirse a este valor. Por tanto, si para la correlación de fórmulas se empleaba el valor de N corregido al 60 %, ahora este habría que corregirlo a la energía aplicada real. Para ello se utiliza esta fórmula N60= N x Er/60, donde Er es la relación de energías del equipo de ensayo y que depende del tipo de maquinaría y otros factores. El valor de Er debe medirse en campo. Sin embargo, como valor teórico para martillos automáticos se puede adoptar un valor igual a 75 (e incluso inferior) Este valor es el calculado por Bosch Ventanyol Geoserveis, S.L. para su maquinas Rolatec. Donde N₆₀ = 75 · N / 60. C_E=75/60=1,25 será probablemente un valor bastante aplicable.

Sin embargo, este no sería el único aspecto a tener en cuenta, otros factores que modificarían la energía trasmitida serian por ejemplo,

La longitud del varillaje. 

Esta longitud influye en que a más varillaje más peso sobre el elemento golpeado. De esta forma a mayor profundidad menor valor de la relación entre la masa que golpea / masa golpeada, lo que suponiendo un terreno homogéneo haría que el valor de N aumentara con la profundidad.

Para longitudes totales del varillaje inferiores a 10 m, el factor de corrección que se aplica es el propuesto por Skempton (1986), para longitudes mayores no se aplicara corrección tal y como indica la norma UNE.

Longitud del varillaje	Factor de Corrección g
>10 m	1.00
6 a 10 m	0.95
4 a 6 m	0.95
3 a 4 m	0.75

Efecto de la sobrecarga del terreno

El efecto de sobrecargas del terreno que obviamente será mayor con la profundidad, incrementándose la energía potencial siendo necesario un mayor número de golpes. En este caso el factor de corrección lo llamaremos C_N y es valor que depende directamente de las tensiones efectivas (s´) a cada profundidad. Diversos autores dan diferentes soluciones de corrección para este factor. A efector prácticos y según la norma UNE-EN ISO 22476-3 podemos considerar que C_N=  y que según la citada norma no deberán aplicarse valores de C_N mayores de 2, y preferiblemente de 1.5. Con este factor pues, se conseguirá que la presión efectiva que afecta a los valores de golpeos quede normalizada para la presión efectiva de referencia común que seria s´= 100 kPa (=1 kp/cm²),siendo N_correg. = C_N x N

Nivel freático

El nivel freático solo afectara a los resultados obtenidos en arenas limosas y limos (suelos poco permeables) que se encuentren bajo el nivel freático. Debe corregirse pues el valor de golpeo resultaría mayor que el dado por una arena o limo seco, debido a la baja permeabilidad de ésta,  que impide que el agua emigre a través de los huecos al producirse el impacto.

 Fueron Terzaghi y Peck (1948) los que recomendaron corregir el valor de N si N>15

N_NF= 15 +(N-15)/2

Uso de puntaza

En ocasiones, si se trata de un suelo granular grueso, para no dañar el bisel de la puntaza abierta o zapata de hinca, suele substituirse por una puntaza ciega.

Por ultimo en Jiménez Salas et al. (1975) se recomienda el uso de un factor de corrección de 1,3 si el ensayo se realiza con puntaza ciega, ya que el ensayo normalizado es el realizado con puntaza abierta:

N(puntaza) = 1,3N(cuchara)

O lo que es lo mismo:

N(cuchara) = (1/1,3)N(puntaza)

Además de estas aquí expuestas, existen otras correcciones como la de la tasa de golpeo (cadencia) para ensayos bajo el nivel freático, el diámetro del sondeo o el tipo de martillo, aunque realmente en la práctica se suele aplicar la corrección de la energía, la corrección de nivel freático si fuera el caso y la de la puntaza.

Una vez obtenido los valores de SPT para cada tipo de terreno estos podrán ser empleados en correlaciones de diversos autores para la obtención de diversos parámetros geotécnicos existentes en numerossas publicaciones.

MCS

Cuando la resistencia al esfuerzo cortante de las arenas se reduce a cero, o sobre el fenómeno de la LICUEFACCIÓN

El conocido físico e ingeniero francés Coulomb fue el científico que publicó en 1776 el primer trabajo reseñable que trataba de explicar la génesis de la resistencia de los suelos. Su primera idea consistió en atribuir a la fricción entre las partículas del suelo la resistencia al corte del mismo y extender a este orden de fenómenos las leyes que rigen la fricción entre los cuerpos, según la Mecánica elemental.

Si un cuerpo sobre el que actúa una fuerza normal (P) ha de deslizar sobre una superficie rugosa, la fuerza (F) necesaria para ello resulta ser proporcional a P, de modo que F = µ P, donde µ es el coeficiente de fricción entre las superficies de contacto.

Coulomb admitió que los suelos fallan por esfuerzo cortante a lo largo de planos de deslizamiento y que el mismo mecanismo de fricción rige la resistencia al esfuerzo cortante de, por lo menos, ciertos tipos de suelos. Dada una masa de suelo y un plano potencial de falla de la misma AA´, el esfuerzo cortante máximo susceptible de equilibrio y, por lo tanto, la resistencia al esfuerzo cortante del suelo por unidad de área en ese plano, es proporcional al valor de σ, presión normal en el plano AA´, teniendo: F/Area= s = τ máximo = σ tan f.

De este modo nace una ley de resistencia, según la cual la falla se produce cuando el esfuerzo cortante actuante, τ, alcanza un valor, s, tal que: s =  σ tan f. La constante de proporcionalidad entre s y σ, tan f, fue definida en términos de un ángulo que llamó ángulo de fricción interna y definió como una constante del material. De todo esto se deduce que la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos que obedezcan a esta ecuación debe ser nula para σ=0.
Sirva como ejemplo una muestra de arena seca y suelta sobre la palma entreabierta de una mano, que al deslizar entre nuestros dedos indica claramante σ=0 y s=0. Un suelo de este tipo se denominó «suelo puramente friccionante» o, utilizando un término más actual, suelo granular. Queda claro que este supuesto es un caso extremo y que la mayoría de los suelos existentes se encuentran en un término medio entre los suelos puramente granulares y los puramente cohesivos.

La resistencia al esfuerzo cortante de una masa de suelo granular depende de las siguientes características del propio material: compacidad, curva granulométrica, forma, tamaño y resistencia individual de las partículas. Podemos estblacer una tendencia a la deformación: arena suelta > arena compacta > arena cementada. Cuando tiende a producirse un desplazamiento en arena sueltas, las partículas no se traban entre sí, ni se bloquean, por lo que la resistencia que se opone a la deformación es sólo fricción. Además la deformación por esfuerzo cortante produce un mejor acomodo de los granos, lo que se traduce en disminución de volumen. La forma típica de la línea de resistencia de una arena suelta es una recta que pasa por el origen, quedando descrita perfectamente por la ley dada anteriormente (s = σ tan f).

Como hemos dicho, las arenas deformadas bajo esfuerzos cortantes disminuyen su volumen y, por lo tanto, su relación de vacíos, en cambio para arenas compactas ambos aumentan. En este sentido, es de esperar un valor intermedio en el que la arena que lo tuviese no variaría su volumen. Este valor intermedio recibe el nombre de «relación de vacíos crítica» (según A. Casagrande). La importancia de esta relación de vacíos crítica surge cuando se considera la resistencia al esfuerzo cortante de las arenas finas saturadas, sometidas a deformaciones tangenciales rápidas. Si la arena es suelta, al deformarse tiende a compactarse, aumentando la presión neutral en el agua si ésta no drena con la suficiente rapidez. Este aumento de presión hace disminuir la presión efectiva y la resistencia al esfuerzo cortante.

Ahora la pregunta sería: ¿en qué situaciones se producen deformaciones tangenciales rápidas? La respuesta es igual de rápida: en terremotos o grandes impactos. El fenómeno de la licuefacción de arenas viene definido por una disminución rápida de la resistencia del terreno al esfuerzo cortante hasta valores nulos o prácticamente nulos, debido al aumento rápido de la presión intersticial. Esto ocurre cuando el suelo queda sujeto a una solicitación brusca de tipo dinámico, como cuando se produce un terremoto o sismo. Lo que sucede es que la estructura granular del material sufre un derrumbe instantáneo que afecta a masas grandes de suelo, obligando al agua a tomar bruscamente presiones adicionales muy por encima de la propia presión hidrostática, que reducen la presión efectiva a cero. El conjunto se comporta como una suspensión densa y es este comportamiento el que da nombre al fenómeno.

Los terremotos producen una aceleración vertical de la superficie del terreno, pero estas aceleraciones son demasiado pequeñas (como máximo 0.3g) para producir por si misma un aumento de la compacidad del terreno. Los fenómenos sísmicos producen también aceleraciones con componente horizontal que, como ya hemos explicado, dan lugar a esfuerzos tangenciales. Pues bien, la repetición de la aplicación de cargas de este tipo puede puede producir una pérdida casi total de la resistencia al corte, dando lugar a fallas catastróficas durante terremotos. El fenómeno de la licuefacción ha sido bien estudiado por expertos como Seed y Lee (1966), y fue en el terremoto de Niigata de 1964, en Japón, donde se observó y describió por primera vez el fenómeno (ver vídeo). Es en Japón donde se dan los casos de fenómenos de licuefacción, ligados a los terremotos, más espectaculares, aunque también se han dado casos en Estados Unidos y en algunas zonas de Europa

Por esta razón, cuando se producen terremotos en núcleos de población, urbanizados sobre depósitos sedimentarios con características como las descritas anteriormente, se pueden observar cosas tan impactantes como las ocurridas en Niigata (Japón) en 1964, con el vuelco o rotación de bloques de viviendas enteros, o como en el último terremoto que se ha vivido en recientemente en el norte de Italia, donde también se ha observado el fenómeno de la licuefacción.

fuentes: Lambe, Badillo, Rodríguez.