C A P I T U L O D E I N G E N I E R I A C I V I L -C D - I C A INSTITU INSTITUTO TO DE INGENIE INGENIERIA RIA PARA L A INVESTIG INVESTIGA A CION CION Y DESARROLL O
METODO MET ODO EST ESTA A NDA NDAR R DE ENS ENSA A YO DE PENETRACION (SPT) EXPOSITOR : ING. ANGEL HUANCA BORDA
INTRODUCCION • El en ensa sayo yo de pe pene netr trac ació ión n est están ánda darr (SP (SPT) T),, desarrollado desarr ollado por Terzagu Terzaguii a finales finales de de los años 20, 20, es el ensayo in situ más popular y económico para obtener información geotécnica del subsuelo. • Se es esti tima ma qu quee el el 85 85 % a 90 90 % de lo loss dis diseñ eños os de la lass cimentaciones convencionales de Norte y Sur América se basan en los valores de N medidos en el SPT
INTRODUCCION • El en ensa sayo yo de pe pene netr trac ació ión n est están ánda darr (SP (SPT) T),, desarrollado desarr ollado por Terzagu Terzaguii a finales finales de de los años 20, 20, es el ensayo in situ más popular y económico para obtener información geotécnica del subsuelo. • Se es esti tima ma qu quee el el 85 85 % a 90 90 % de lo loss dis diseñ eños os de la lass cimentaciones convencionales de Norte y Sur América se basan en los valores de N medidos en el SPT
ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR (SPT) Normas Funciones
: NTP 339.133 - ASTM D1586 : Determinación de la consistencia y resistencia cortante de los suelos en profundidad.
Procedimiento ampliamente utilizado para determinar características de resistencia y compresibilidad de suelos. Consiste en hincar un toma muestras, para obtener una muestra representativa del Suelo y de manera determinar la resistencia del suelo
OBJETIVOS DE PRUEBA SPT • Obtener la medida de la resistencia a la penetración con un muestreador • Tomar muestras representativas del suelo • Hallar correlación entre: – El # de golpes, N, medido y la compacidad, – El # de golpes y el y la resistencia a la comprensión simple por medio de tablas o á bacos ya existentes.
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 J. H. Schmertmann (1980) de University of Florida impulsó, el uso y mejoramiento del SPT en Norteamérica, asi como los procedimientos e interpretación de los resultados y correlaciones. El ensayo SPT, originalmente muy popular, sin embargo a medida que avanzaba el estado del arte, se fue volviendo menos popular, debido a que se le consideraba un ensayo barato pero inexacto.
C.R.I. Clayton (2001) de University of Southampton ha investigado sobre los métodos de exploración, concluye que: A pesar de los métodos sofisticados que existen actualmente para la exploración del subsuelo (diferentes del SPT), y los avances en los métodos de análisis de la mecánica de suelos, las predicciones del comportamiento de los sistemas sueloestructura que se hacen durante los estudios geotécnicos son aun pobres. Es asi que con el avance posterior del estado de arte, el ensayo SPT, empieza a cobrar su popularidad inicial nuevamente debido en parte a su gran versatilidad, rapidez y economía.
Muchas veces en los estudios geotécnicos los errores son imputados al ensayo SPT; sin embargo en la mayoría de los casos tales errores están asociados a que no se identifica adecuadamente la conformación geotécnica en el estado inicial del ensayo (dificultades de interpretación); empleándose correlaciones erróneas.
Suelos Adecuados para la Ejecución del Ensayo - Arenosos - Limo Arenosos - Areno Limosos - Areno Arcillosos - Arcillas - Limos
Suelos poco adecuados para el Ensayo - Aluvionales -Suelos Gravosos y Heterogéneos con bolones y piedras
PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO Ejecución del ensayo Se realiza con un muestreador de caña partida o cono de Peck
REGISTRO DE PENETRACIÓN Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar 30 cm de un total de 45 cm.
PROCEDIMIENTO Hincar el muestreador o cono con golpes del martillo de 140 lb. y contar el numero de golpes. Cada golpe del martillo se produce, a 30” (0.76 m) de caída.
COMPONENTES DEL EQUIPO SPT Trípode de Tubo de diámetro 2 1/2”
Martillo
Guía de hinca Cadena de fierro Guía Cabezal de hinca
1/2”
yunque MARTILLO Cuchara
CUCHARA 2” - 4 1/2”
MARTILLO DE PENETRACION SPT (140 LIBRAS) POLEA
PENETROMETRO ABIERTO Y CERRADO
CABEZAL Y PUNTA DEL CONO DE PECK
CORRELACIONES El presente método es utilizado extensamente en una gran variedad de proyectos geotécnicos de exploración. Existen disponibles muchas correlaciones locales y correlaciones extensamente publicadas que relacionan el valor de “N”, con el comportamiento ingenieril de estructuras de tierra y cimentaciones.
RELACIONES ENTRE EL NUMERO DE GOLPES “N” DEL SPT, DENSIDAD RELATIVA “DR” Y ANGULO DE FRICCION INTERNA ( φ)
70
28°
30°
32°
34°
36°
38°
40°
42°
44°
46°
60
70
80
90
100
60 50 40 N 30
D R
20 10 0 0
10
20
30
40
50
DR (%)
Correlaciones N - DR y N -
( Aporte de Terzaghi y Peck)
RELACIONES ENTRE “ N” , Dr y
v
100 i s p 0 4
80
i s p 0 2
60 N 40
i h g z a r T e
20
k c e P
i s p 0 1
i p s 0
0 0
20
40
60
80
100
DR (%)
Efecto de la presión de sobrecarga para arena gruesa seca o húmeda (Aporte de Gibbs y Holtz)
Correlaciones N - DR y N -
( Meyerhof )
φ 28°
30°
32°
34°
36°
38°
40°
42°
44°
46°
60
70
80
90
100
70 60 50
N
40 30
R D
20 10 0 0
10
20
30
40
50
DR (%)
RELACIONES ENTRE EL NUMERO DE GOLPES “N” Y LA CONSISTENCIA DE LAS ARCILLAS
Arcilla
N 2 q u = (kg / cm ) 8
Terzaghi
Arcilla limosa
N 2 q u = (kg / cm ) 5
Terzaghi y Peck
Arcilla areno limosa
N 2 q u = (kg / cm ) 8
Terzaghi y Peck
Para todas las arcillas
qu
= 1.33 N (kg / cm 2 )
Graux
A: B: C: D: E: F:
30 25 20 N
N
qu =
15
8
Muy Blanda Blanda Medianamente Compacta Compacta Muy Compacta Dura
10 5 0
1
2
3
4 qu (Kg/cm2)
A B
C
D
E
F
Correlación N - q u y consistencia para arcillas Terzaghi y Peck
NUMERO DE GOLPES DEL ENSAYO SPT (N) N corregido, Ponderado • A pesar de que el ensayo se estandarizó desde 1958 como el ASTM D-1586, y que se han venido realizando revisiones periódicamente, las evaluaciones realizadas en Norteamérica indican que son muchas las variables que influyen en los valores de N – Entre otras: • • • • • •
El tipo y estado de los equipos de perforación La destreza de los operadores El tipo y estado de las cucharas muestreadoras La dimensión y estado del varillaje La forma y tamaño del cabezote etc..
NUMERO DE GOLPES DEL ENSAYO SPT (N) N corregido, Ponderado FACTORES DE CORRECCION PARA N medidos en el SPT (Seed et. al , 2001)
N = Nm . CN . CE . CR . CS • Nm Nú mero de golpes medidos en el ensayo • CN Factor de correcci ó n por sobrecarga diferente de 100 kPa • CE Factor de correcci ó n por variaci ó n en la energ ía • CR Factor de correcci ó n por variaci ó n en la longitud de gu ía • CS Factor de correcci ó n por sistema de muestreo
CN = Factor de corrección por sobrecarga (diferente de 1 kg/cm2) Liao y Whitman, 1986 0 .5
Pa
CN
vo
C N
=
1
< 2.0
σ v
Kayen et al, 1992 CN
2 .2 1.2
vo
Pa
Pa = Presión atmosférica
según la Norma UNE-EN es de 1,0 para tensiones verticales efectivas, al nivel del punto ensayado, de 100 kPa (1,0 kg/cm2), aumentando hasta 1,5 en ensayos con tensiones menores, y disminuyendo hasta 0,4-0,5 a profundidades que generen tensiones verticales efectivas de 400 kPa (4,0 kg/cm2)
C N
=
1 σ v
< 2.0
CE Factor de correcci ó n por energ ía aplicada El SPT original proporciona el 60% de la energía. Los SPT modernos dan mayor energía : N60= N • Er/60 Er = porcentaje de energía de golpeo obtenida con los métodos automáticos
•Factores de incidencia: martillo, poleas, enganches • Se recomienda control sistemático ASTM D-1586-99.
Martillo cilíndrico: CE = 0.60 – 1.00 Martillo de seguridad : CE = 0.70 – 1.2 Martillo automático-cilíndrico : CE = 0.80 – 1.3
A partir de la medición de la energía real de 42 ensayos SPT en dos sondas Rolatec RL- 400 y RL-48 se ha estimado que el factor de corrección por energía a aplicar sobre el valor N de campo obtenido con las citadas sondas es : - Er/60 = 80/60 = 1,33 • N , - para ensayos SPT a partir de 10 m de profundidad. - Er/60 = 75/60 = 1,25 • N, - para ensayos SPT entre 6 m y 10 m de profundidad. - Er/60 = 65/60 = 1,10 • N, - para ensayos SPT entre 2 m y 6 m de profundidad.
CR = Factor de correcci ó n por longitud de varillaje Alternativamente, puede aplicarse la corrección con el factor multiplicador máximo de 1,33 y a continuación imponer la corrección por longitud de varillaje inferior a 10 m, tal como especifica la norma: Longitud de varilla Factor de corrección a
>10 m 6 a 10 m 4a6m <4 m
1,0 0,95 0,85 0,75
CR Factor de correcci ó n por longitud de varillaje LONGITUD < 3m
FACTOR
0.75
3 a 4 m
0.80
4 a 6 m
0.85
6 aa10 10 30m. m > 30 m
0.95 1.00
APLICACIONES DEL ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR
COEFICIENTE DE BALASTO
APLICACIONES DEL ENSAYO DE PENETRACION ESTANDAR
Presi ó n Admisible
σ
adm
=
N 10
ANGULO DE FRICCION φ=
27.1 + 0.3 N corregido – 0.00054 N2corr (Peck, Hanson y Thornburn,1974)
φ=
(20 N corr)1/2 + 20 (hanataka y Uchida,1996)
A PLICA APL ICACIONES CIONES DEL ENSA ENSAYO YO DE PENETRACION PENETRA CION ESTANDA ESTA NDAR R
Determinaci ó n de la Ca Capaci pacidad dad Por Portant tante e ortante La presi ó n admis admisible ible ser será á la men menor or de de la que se obtenga mediante: a) La aplicación de las ecuaciones de capacidad de carga por corte afec afectada tada por por el facto factorr de segurid seguridad ad correspondiente b) La presión que cause el asentamiento admisible.
a) CA CAPA PACI CIDA DAD D DE CA CARG RGA A POR POR CORT CORTE E
qult
γ1 γ2
Df Nivel de Cimentación
An A ncho B
qult = cNCSC + γ1Df Nq + 0.5Bγ2NγSγ Terz Te rzag aghi hi 194 943 3
Carga Con Contitinu nua a (L/ (L/B>5 B>5)) – Cor orte te Ge General
Q
qult = cN c
+
1 2
γ B N γ
+ q N q d B
⎧ N c = cotg φ ( Nq − 1) ⎪ ⎪⎪ Nq = eπ tgφ tg 2 (45 + φ ) 2 ⎨ ⎪ N γ = 2 tg φ ( Nq + 1) ⎪ ⎪⎩ (Caquot y Kerisel, 1953)
qult q = γd B
C, φ,
γ suelo
La resistencia al corte en suelos granulares, es usualmente alta, por lo que la presión admisible en la practica resulta controlada por los asentamientos.
b) PRESION ADMISIBLE POR ASENTAMIENTO Procedimientos usado comúnmente para investigar los depósitos de arena en función de “ N” . Terzaghi, relaciono los asentamientos de cimentaciones reales en arenas, con ensayos de pruebas de carga, los comparo con los ensayos del SPT y obtuvo las ecuaciones: Para B
1.20 m.
q adm = (0.0864 N – 0.108)(B + 0.30)2 *f E* f NF * f δ * f Df B
Asimismo Meyerhof, (1965) planteo las siguientes ecuaciónes:
q adm
+ 1 ⎞ = 7 . 99 N cor ⎜ ⎟ 3 . 28 B ⎝ ⎠ ⎛ 3 . 28 B
Bowles, (1977) corrigió la ecuación a:
qadm
⎛ 3.28 B + 1 ⎞
= 7.99 N cor ⎜ ⎝
3.28 B
Df Fd = 1 + 0.33 B
≤ 1.33
⎟ ⎠
2
⎛ S e ⎞ ⎟ 25 . 4 ⎝ ⎠
Fd ⎜
2
Para B < 1.20 m. Según Terzaghi:
q adm = (0.135 N – 0.169) *f E* f NF * f δ * f Df
Segun Meyerhof : q adm
= 11 .98 N corr
Según Bowles: qadm
S ⎞ = 19.16 N cor Fd ⎛ ⎜ e ⎟ ⎝ 25.4 ⎠
Df Fd = 1 + 0.33 B
≤ 1.33
Relaciones entre qadm , N y la Consistencia para Suelos Finos (Terzaghi y Peck)
Consistencia del Suelo Muy blando Blando Mediano Compacto Muy compacto Duro
(N) SPT 0-2 2-4 4-8 8-15 15-30 >30
Capacidad de Carga Admisible (T/pie2) zap.cuadrada zap. continua 0.00 – 0.30 0.00 – 0.22 0.30 – 0.60 0.22 – 0.45 0.60 – 1.20 0.45 – 0.90 1.20 – 2.40 0.90 – 1.80 2.40 – 4.80 1.80 – 3.60 Mayor que 4.80 Mayor que 3.60
CONCLUSIONES En medicina, el método de los Rayos X (de finales del siglo XIX) sigue teniendo total aceptación como un método de exploración del cuerpo humano, rápido y barato, a pesar de los métodos sofisticados y costosos que se han desarrollado recientemente.
Debido a que los proyectos exigen rapidez en la exploración, se espera el incremento generalizado del uso del SPT.
En los últimos años, diversos autores han trabajado en mejorar los equipos, el procedimiento de ejecución, procesamiento de datos e interpretación de los resultados Es necesario calibrar el equipo SPT; debido a la variabilidad de la eficiencia, ajustando la energía a la altura de caída del martillo según tipo de maquina, sobrecarga, longitud de varilla, etc. De esta manera reducir los riesgos geotécnicos imputables al SPT. Este ensayo se debe realizar máximo hasta los 50 golpes, ya que,
después de este límite, introducir el equipo de perforación dentro del estrato puede causar daños al mismo. Cuando tenemos este caso, se dice que existe RECHAZO (roca o suelo muy bueno).
PENETROMETRO LIGERO DINAMICO - DPL -
ENSAYO PENETROMETRO LIGERO DINAMICO (DPL) Norma Funciones
: N.T.P. 339.159 -DIN 4094 : Determinación del angulo de fricción, consistencia y resistencia cortante de los suelos.
Suelos Adecuados para la Ejecución del Ensayo - Arenosos - Limo Arenosos - Areno Limosos - Arcillas
Suelos Inadecuados para el Ensayo - Aluvionales - Aluviales -Suelos Gravosos
EQUIPO DPL N.T.P. 339.159 DIN 4094
PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO Ejecución del Ensayo Se realiza con un cono del tipo Peck
REGISTRO DE PENETRACIÓN Resistencia a la penetración: golpes necesarios para hincar 10 cm.
PROCEDIMIENTO Hincar el cono con golpes del martillo de 10 Kg y contar el numero de golpes. Cada golpe del martillo se produce, a 0.50 m. de caída.
CABEZAL, MARTILLO Y GUIA DEL DPL
EJECUCION DE LA PRUEBA DPL
Procedimiento utilizado para determinar características de resistencia y compresibilidad de suelos.
CONCLUSIONES - El ensayo DPL debe ejecutarse en todos los terrenos donde pueda ser factible de realizar. - Existen diversas correlaciones entre el número de golpes “N” y parámetros del suelo. - Siempre que sea posible se deben realizar excavaciones a cielo abierto, para visualizar en forma directa la estratigrafía del terreno y extraer muestras disturbadas e inalteradas para ensayos de laboratorio.
- El ensayo DPL, debe utilizarse como complemento del ensayo SPT. La desventaja de este ensayo es la no extracción de muestras del terreno, por lo que se debe complemetar con calicatas. - El equipo DPL debido a su gran versatilidad y peso ligero viene siendo utilizado en forma masiva, siendo necesario calibrar sus resultados con los del ensayo SPT, de acuerdo al tipo de suelo.