Desde mediados de la dcada de 1930 se han realizado grandes esfuerzos y se han logrado grandes progresos para establecer correlaciones entre los resultados de ensayos de campo y las caractersticas de resistencia y deformabilidad de distintos tipos de s

8. ENSAYOS DE CAMPO Y SONDEOS

Desde mediados de la dcada de 1930 se han realizado grandes esfuerzos y se han logrado grandes progresos para establecer correlaciones entre los resultados de ensayos de campo y las caractersticas de resistencia y deformabilidad de distintos tipos de suelos, as como para determinar valores confiables de otra propiedades, tales como la permeabilidad, por medio de ensayos ejecutados en el propio terreno.

Estos esfuerzos y logros han estado motivados principalmente por: Las alteraciones que sufren los suelos con las operaciones de muestreo. La dificultad de obtener muestras inalteradas de algunos suelos. La gran dependencia que tienen la resistencia y la deformabilidad del suelo con relacin al nivel y al estado de esfuerzos.Se presenta a continuacin la descripcin de los principales ensayos de campo realizados durante la ejecucin de estudios geotcnico de ingeniera de fundaciones.

Tales ensayos son: Ensayo de Penetracin Estndar (SPT)

Ensayo de Torsin con Veleta de Campo (VST)

Ensayo de Penetracin Esttica de Cono (CPT)

Ensayo de Penetracin Dinmica de Cono (DCPT)

Ensayo del Presurmetro de Menard (PMT)

Ensayo del Dilatmetro de Marchetti (DMT) Ensayo de carga de placa directa (DPLT)

Ensayo de carga de pilotes (PLT) Ensayos de permeabilidad en el campoSe incluye una breve descripcin de los equipos utilizados, el procedimiento seguido, los resultados obtenidos y las correcciones que se deben aplicar, y se mencionan las principales correlaciones que se han establecido para obtener parmetros claves de resistencia y deformabilidad de diferentes tipos de suelos. Finalmente, se hacen observaciones sobre la aplicabilidad y limitaciones correspondientes.

8.1 Ensayo de penetracin estndar SPT

Equipo: Torre o trpode, motor, cabrestante, varillaje, acoples, toma-muestras de cuchara partida SS (Split Spoon), martillo o pesa de 140 libras, tubo para guiar la cada del martillo, Manila.

Procedimiento: Hinca a golpes del toma-muestras SS por medio de la cada libre de una pesa de 140 libras desde una altura de 30 (76,2 cm). Se cuenta el nmero de golpes para avanzar tres tramos de 6 (15 cm) mientras el suelo va llenando el toma-muestras. Esto se registra como n1/6, n2/6, n3/6. Esta operacin se repite con intervalos verticales de 3m en estudios preliminares, y de 1,5m en estudios definitivos, cuando este ensayo es pertinente y aplicable.

Resultados: El resultado caracterstico del ensayo SPT es el N, golpes por pie, resultado de sumar n2/6 + n3/6. Aplicabilidad y limitaciones:

Este ensayo SPT es adecuado y da buena informacin en suelos arenosos y limosos de variadas densidades y en suelos arcillosos de consistencia firme a dura. No da informacin til cuando se realiza en suelos arcillosos sensitivos de consistencia media a muy dura.

Da informacin errnea cuando el suelo tiene partculas de tamao mayor que , pues las piedras pueden dificultar la entrada libre de la matriz del suelo hacia el interior del toma-muestras o fsicamente pueden trabar o bloquear la entrada del SS, convirtiendo el ensayo en una prueba de la resistencia a la rotura de las piedras.

Cuando el conteo es >40/6 se debe terminar el ensayo, puesto que se puede estar ante la presencia de un estrato de gravas o piedras o ante el comienzo del basamento rocoso, y, adems, se puede deteriorar el SS.

El nivel del agua libre dentro de la perforacin debe estar siempre por encima del nivel fretico y por encima del nivel piezomtrico de un eventual estrato granular acufero confinado, durante el avance de la perforacin y durante la ejecucin de los ensayos SPT, pues, de lo contrario, las fuerzas de infiltracin ascendentes resultantes aflojar el suelo granular y se obtendrn valores de N muy bajos, no representativos de la real condicin de densidad del suelo.

Se ha establecido que el procedimiento de ensayo STP tpico, con el que se han desarrollado muchas correlaciones prcticas para diseo divulgadas a nivel mundial, y que sirve como referencia, es el ensayo SPT ejecutado con una eficiencia del orden del 60% en la transmisin de la energa de la cada del martillo al toma-muestras SS. Esto exige una revisin permanente de la verticalidad del tubo-gua para la cada del martillo, y un control del nmero de vueltas de la Manila medianamente usada (preferiblemente 2 vueltas) en el cabrestante para el izaje del martillo y durante su cada libre. Correciones:

En estratos granulares el resultado de campo, NF, del ensayo SPT est influido principalmente por dos factores, a saber: La Densidad Relativa, Dr, y el esfuerzo vertical existente a la profundidad del ensayo y en el momento del ensayo. Se encuentran en la literatura tcnica varias propuestas de correccin al valor de NF, denominadas CN, para normalizar el resultado a un nivel de esfuerzo efectivo igual a 1 kg/cm2. Las ms recientes propuestas son:

Ncorr = CN*NF

En arenas muy finas y limos arenosos saturados bajo el nivel fretico, Terzaghi recomend hace muchos aos aplicar una correccin en aquellos casos en los cuales N fuera mayor que 15g/p, considerando que tales casos podran presentar dilatancias momentneas durante le ensayo SPT, produciendo presiones de poros negativas transitorias e incrementando momentneamente los esfuerzos efectivos y, en consecuencia, aumentando el valor de la resistencia instantnea. Dicha correccin propuesta por Terzaghi supona que para un N igual a 15g/p se tena la condicin de relacin de vacos crtica, ecrt. Dicha correccin se aplicaba as:

Con el fin de tener en cuenta que la relacin de vacos crtica, ecr; de un suelo es una funcin inversa del esfuerzo efectivo de confinamiento, se sugiere actualizar la correccin propuesta por Terzaghi hace ms de 60 aos de la siguiente manera (J.E. Durn, 2006):

Profundidad

z, m

0-5

15-20

30-35

45-50

Si Ncorr es:

>15

>25

>35

>45Correccin por dilatancia

Ncorr* = (Ncorr + 15)/2

Ncorr* = (Ncorr + 25)/2

Ncorr* = (Ncorr + 35)/2

Ncorr* = (Ncorr + 45)/2

En el caso de estos suelos, arenas muy finas, limos arenosos y/o limos sumergidos, se recomienda aplicar en primer lugar la correccin por confinamiento efectivo descrita en el prrafo anterior, y, en segundo lugar, la correccin por dilatancia. Correlaciones:

Para arenas: correlacin muy conocida entre el N (lase Ncorr) y la Densidad Relativa, Dr, porpuesta por Terzaghi y Peck, 1948, y ampliamente difundida:

Ncorr, g/pDensidad Relativa, Dr, %Descripcin de Compacidad

0-40-15Muy suelto

4-1015-35Suelto

10-2035-50Medianamente suelto

20-3050-65Medianamente denso

30-5065-85Denso

>50>85Muy denso

Para arenas: correlacin entre el mx y el Ncorr, en forma de curva de Peck, Hanson y Thornburn, 1974 y expresada en ecuacin por Wolff, 1989:

Para arenas: correlacin de Schmertmann, 1975, entre NF, vo y , presentada en forma grfica:

Para arcillas: Terzaghi y Peck, 1948, presentaron una correlacin aproximada entre el valor N, en g/p, del SPT y la resistencia al corte no drenado de dichos suelos. sta es: N, g/pResistencia al corte no drenado, Su, kg/cm2Descripcin de Consistencia

0-20-0,125Muy blanda

2-40,125-0,25Blanda

4-80,25-0,50Media

8-150,50-1,0Firme

15-301,0-2,0Muy Firme

>30>2,0Dura

De esta tabla resulta una correlacin de N/Su=15. Investigaciones posteriores, particularmente las de Schmertmann, 1975, indican que N/Su es una funcin del ndice de Plasticidad, IP, y de la Sensitividad, Si. A manera de gua se pueden tomar en forma aproximada las siguientes correlaciones:ndice de Plasticidad, IP, %N/Su (N en golpes/pie, Su en kg/cm2)

830

1515

3010

605

1004

8.2 Ensayo de torsin con veleta de campo - VST Equipo: Varillaje, acoples, veleta y torcmetro. La veleta puede ser de aspas rectangulares o de aspas trapezoidales semejando el tener puntas cnicas. Los dimetros usuales de la veleta son 2", 21/2" y 3". Generalmente la altura de las aspas, H, es dos veces el dimetro, D, de la veleta. A mayor consistencia del suelo arcilloso se emplea un menor dimetro de veleta y a menor consistencia, un mayor dimetro de veleta.

Procedimiento: Se acopla la veleta en la parte inferior del varillaje. Se baja el ensamblaje al fondo de la perforacin. Se hinca suavemente a presin la veleta dentro del suelo natural una distancia cercana a 30 cm, de tal manera que el cuerpo de la veleta quede totalmente rodeado de suelo inalterado, no perturbado por las operaciones de avance de la perforacin. Se aplica un torque en la parte superior del varillaje, girndolo a una velocidad que debe estar entre 6 y 12 por minuto, en un proceso sostenido y continuo.

Resultados: Se lee el valor del torque mximo aplicado en el momento en que se produjo la falla alrededor de la superficie de un cilindro de suelo demarcado por las aspas de la veleta. A continuacin, se realizan cuatro a cinco giros completos del varillaje para remodelar totalmente el suelo a lo largo de las superficies de falla. Enseguida, se ejecuta nuevamente el procedimiento de lectura del torque para producir una nueva falla.

Se obtienen as lecturas de torque para la condicin de falla del suelo inalterado y para la condicin de falla del suelo remoldeado, obtenindose con su relacin (Tui/Tur) el grado de sensitividad, Si.

Aproximaciones: Para llegar a una expresin sencilla que relacione el torque de falla y la resistencia al corte no drenado del suelo arcilloso se requiere hacer las siguientes aproximaciones: La resistencia al corte no drenado del rea perimetral, Super, se alcanza al mismo tiempo que la resistencia al corte no drenado en las reas circulares superior e inferior, Suv. No hay anisotropa en la resistencia al corte no drenado.

En las reas circulares superior e inferior se llega al momento de la falla por corte al mismo tiempo en todos los puntos del rea.

Ecuacin: Con las aproximaciones descritas, para una veleta de aspas rectangulares que tenga una relacin H/D=2, el valor de resistencia al corte obtenido con la veleta de campo, Suv, es:

Factor de correccin: Se conocen varios factores de correccin al valor de resistencia al corte obtenido en campo para llegar a valores de resistencia que se puedan aplicar en diseo. La ms conocida fue desarrollada por Bjerrum en 1972 como resultado de estudiar fallas profundas causadas por la construccin de terraplenes sobre suelos blandos, aplicando retroanlisis a dichas fallas. Encontr que debera aplicarse una correccin a los valores de resistencia al corte obtenidos en campo con la veleta, principalmente por dos factores: la velocidad de aplicacin de carga durante el ensayo, y la anisotropa de resistencia al corte generalmente existente en los suelos.Bjerrum encontr que dicha correccin es una funcin inversa del ndice de plasticidad, IP.

As, el valor de diseo de la resistencia al corte no drenado, Su = Suv

Aplicabilidad y limitaciones: Este ensayo de torsin con veleta de campo es especialmente apropiado en suelos arcillosos de consistencia media a blanda que no tengan contenidos apreciables de arena.

Debe verificarse la calibracin del torcmetro y el buen estado de las aspas o paletas de la veleta.

8.3 Ensayo de penetracin esttica de cono - CPT

Equipo: Dispositivo especial mecnico o hidralico con una sarta de varillas en cuyo extremo inferior va el cono.

El ms popular de los conos de penetracin esttica es el Cono Holands, con un cono de acero de vrtice a 60, de 3,6 cm de dimetro y un rea de su base de 10 cm2. Hay modelos que solamente miden la resistencia por la punta y hay otros ms modernos dotados de una funda de 13 cm de largo y 150 cm2 de rea perimetral para medir tambin la resistencia por friccin lateral.

Procedimiento: Sin necesidad de contar con una perforacin previa, el equipo va hincando a presin mecnica o hidralica el varillaje. A espaciamientos verticales de 20 o 30 cm se realizan las mediciones de la resistencia por la punta, qc, y de la resistencia combinada de punta y friccin, deducindose, por diferencia, la resistencia unitaria por friccin lateral, fc. Para obtener la lectura de resistencia por la punta se avanza un varillaje interno que le comunica movimiento nicamente a la punta en una longitud de 4 cm, con una velocidad de 0,5-1 cm/s. A continuacin se mueve el conjunto de punta y funda por una longitud de 4 cm adicionales para obtener la resistencia conjunta de punta y friccin lateral. Finalmente, se recoge el dispositivo y se avanza todo el ensamblaje a una posicin de ensayo 30 cm ms abajo. De esta forma se obtienen lecturas de resistencia a intervalos muy cortos, dando una gran continuidad a la informacin. Resultados: Resistencia por la Punta: qc. Resistencia por Friccin Lateral: fc. Relacin de Friccin: Fr = fc/qc.

Para encontrar estos resultados debe tenerse en cuenta que la fuerza aplicada a la punta o cono y al sistema punta y funda de friccin es la fuerza registrada en el manmetro localizado en el equipo principal, por encima de la superficie del terreno, ms el peso del varillaje interno (inner rods) que se tenga en ese momento.

Aplicabilidad y limitaciones: Este ensayo de penetracin esttica de cono es apropiado para todo tipo de suelos arcillosos, blandos a firmes, y arenosos, sueltos a densos. No presenta problema por la existencia de niveles piezomtricos altos. Si se llega a tocar una gran piedra o el basamento rocoso debe suspenderse el ensayo y cambiarse por una perforacin de rotacin con corona abrasiva para atravesar el obstculo o perforar algunos metros dentro del macizo rocoso. Despus de atravesar el obstculo, si vuelven a aparecer suelos se puede continuar hacia abajo con la penetracin esttica de cono.

Correlaciones: Se han establecido en los ltimos 50 aos muchas correlaciones entre los resultados del ensayo de cono y caractersticas de los diferentes suelos.

A manera de ejemplo:

, para arenas normalmente consolidadas (Lancellotta, Jamiolkowski y otros, 1985)

Robertson y Campanella han presentado, en forma grfica, correlaciones para arenas entre: qc, Densidad relativa, % y V0 qc, V0 y mx

qc, Fr y tipo de suelo:

qc/NF y el tamao de las partculas de suelo:

Para suelos arcillosos se ha establecido que la resistencia al corte no drenado es:Su = (qc - V0) / Nklo cual viene de despejar Su en la expresin de capacidad ltima unitaria de punta de un pilote en arcilla:

qc = Su * Nk + V0donde Nk es un factor de capacidad portante que se puede tomar aproximadamente igual a 15 cuando se emplea un cono elctrico, y 20 cuando se emplea uno mecnico.

8.4 Ensayo de penetracin dinmico de cono - DCPT

Equipo: Varillaje, cono de acero, martillo o pesa, dispositivo para izaje de la pesa y tubo-gua para el recorrido del martillo.

Procedimiento: Se hinca una sarta de varillas con un cono de acero en su punta por medio de la cada libre de un martillo o peso desde una altura conveniente fija y se cuenta el nmero de golpes necesarios para penetrar una longitud determinada. Se repite el procedimiento para un tramo igual de penetracin. As, se obtiene un registro muy continuo de resistencia. No se necesita ejecutar previamente una perforacin, aunque tambin se puede realizar este ensayo en el fondo de sta. Este ensayo no toma muestras.

Versatilidad: Para un determinado proyecto se escogen el tipo y las dimensiones del cono que se va a emplear. Los hay recuperables y no recuperables. Si se emplea un cono recuperable, ste debe ir roscado al final del varillaje. En este caso se requerir mayor fuerza para recuperar el varillaje con el cono en su extremo. Cuando se emplea un cono no recuperable, ste va ajustado a la varilla sin unin de rosca. Al terminar el sondeo se retira el varillaje del terreno, quedando perdido el cono. En general los conos tienen un ngulo de 60 en su vrtice y un dimetro de 1,4 - 1,5 pulgadas, ligeramente mayor que el dimetro de la tubera o varillaje, el cual es, generalmente de una pulgada. Esa diferencia de dimetros produce una reduccin de la friccin lateral suelo-varillaje durante el proceso de hinca por golpes, concentrando la energa suministrada en medir la resistencia a la penetracin del cono situado en la punta.Se puede escoger convenientemente el peso del martillo o pesa y la distancia de la cada libre. En un proyecto especfico la estrategia consiste en calibrar los resultados de este ensayo de penetracin dinmica de cono para un determinado peso del martillo, una determinada altura de cada y una longitud especfica de penetracin, con los resultados del ensayo de penetracin estndar, SPT, ejecutando en un lugar muy cercano. Una vez obtenida su calibracin se ejecuta el sondeo con penetracin dinmica de cono, DCPT, en muchos sitios en forma econmica y rpida, complementando la exploracin del suelo de una gran rea.

Dos esquemas muy conocidos de ensayos DCPT son:

Dimetro del cono de acero = 1,4 pulgadas, cono no recuperable, dimetro exterior del varillaje = 1,0 pulgada, peso del martillo = 63,5 kgs (140 libras), altura de cada = 76,2 cm (30"). De acuerdo con Sowers y Sowers (1970), el nmero de golpes necesarios para hincar 30 cm este cono es comparable con el nmero de golpes/pie, N, del ensayo de penetracin estndar, SPT.

Dimetro del cono de acero de 60 = 1,5 pulgadas, cono recuperable con rosca para acople a la tubera de 1 pulgada de dimetro exterior, peso del martillo = 18,1 kg (40 libras) y una altura de cada de 45,7 cm (18"). Se puede estimar la compacidad de suelos granulares a partir del nmero de golpes necesarios para lograr una penetracin de 30,5 cm (un pie), Nc. En este caso la correlacin que se ha establecido (Parcher y Means, 1968) N=CNc, tiene un coeficiente C = 0,4-0,6, para Nc entre 25 y 50, y un C = 0,6-0,63 para Nc entre 50 y 80.

Aplicabilidad y limitaciones: Muy adecuado para establecer condiciones de compacidad de estratos arenosos sueltos a densos y condiciones de consistencia de estratos arcillosos de consistencia media a firme. Debido a su carcter dinmico no es muy adecuado o confiable para suelos arcillosos sensitivos de consistencia media a baja.En suelos arenosos el resultado del DCPT est influido principalmente por la densidad relativa del suelo y por el nivel de confinamiento efectivo reinante a la profundidad del ensayo, similar a lo expresado para el ensayo SPT. Para arenas muy finas y limos arenosos saturados con densidades relativas superiores a la crtica el resultado del DCPT puede ser anormalmente alto debido a las presiones de poros negativas generadas por la dilatancia, con el consecuente aumento instantneo de los esfuerzos efectivos y de la resistencia.Muy adecuado para complementar exploraciones de suelo, combinndolo con perforaciones, muestreos, sondeos y otros ensayos de campo, reduciendo costos y tiempo, y cubriendo grandes reas con suficiente informacin.

Especialmente apropiado cuando se quiere precisar en una gran rea la profundidad a la cual se encuentra un estrato competente sobre yacido por estratos blandos. Este caso es de suma importancia para determinar con buena precisin la longitud de pilotes hincados que se van a prefabricar.

Un caso muy particular de este ensayo es la penetracin dinmica de cono tipo Yoder, con un cono y un varillaje muy delgados, una pesa liviana y un recorrido de cada pequeo de dimensiones estandarizadas. Este ensayo se ejecuta generalmente en los 1,5 - 2 metros superiores de una subrasante de vas. Existen correlaciones entre los resultados de este ensayo dinmico de penetracin con el CBR de campo de subrasantes, segn el tipo de suelo. Es muy conveniente para complementar exploraciones de subrasantes de carreteras, ferrocarriles y aeropuertos.

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