¿CORREGIR O NO CORREGIR LA PRUEBA DE PENETRACIÓN ESTÁNDAR (SPT) PARA CIMENTACIONES?, LA GRAN CUESTIÓN

La prueba de penetración estándar, desarrollada alrededor de 1927, es actualmente el medio más popular y económico para obtener información del subsuelo (tanto en tierra como en alta mar). Se estima que entre el 85 y el 90 por ciento del diseño de cimientos convencionales en América del Norte y del Sur se realiza con SPT. Esta prueba también se usa ampliamente en otras regiones geográficas. El método ha sido estandarizado como ASTM D 1586 desde 1958 con revisiones periódicas hasta la fecha. La prueba consiste en lo siguiente:

1.- Introducir el muestreador de barril dividido estándar de las dimensiones que se muestran en la figura 1 a una distancia de 460 mm en el suelo en el fondo de la perforación.

2.- Contar el número de golpes para impulsar el muestreador las dos últimas distancias de 150 mm (total = 300 mm) para obtener el número N.4.

3.- Utilizando una masa impulsora (o martillo) de 63,5 kg que cae "libremente" desde una altura de 760 mm. En la figura 2 se muestran varias configuraciones de martillos.

La barra de perforación expuesta está referenciada con tres marcas de tiza separadas 150 mm y la barra guía (consulte la figura 2) está marcada a 760 mm (para martillos manuales). Luego, el ensamblaje se asienta sobre el suelo en el pozo (después de limpiarlo de recortes sueltos). A continuación, el muestreador se conduce una distancia de 150 mm para asentarlo en suelo no perturbado, y se registra este conteo de golpes (a menos que la masa del sistema hunda el muestreador y no se pueda contar Af). La suma de los conteos de golpes para los próximos dos incrementos de 150 mm se usa como el conteo de penetración Af a menos que no se pueda completar el último incremento. En este caso, la suma de las dos primeras penetraciones de 150 mm se registra como N. El registro de perforación muestra rechazo y la prueba se detiene si:

Cuando no se puede obtener la profundidad de prueba completa, el registro de perforación mostrará una relación de 70/100 o 50/100, lo que indica que 70 (o 50) golpes dieron como resultado una penetración de 100 mm. El desgaste excesivo del equipo, así como la gran reducción del metraje diario de perforación, se producen cuando el número de golpes es alto. La estandarización del rechazo a 100 golpes permite que todas las organizaciones de perforación estandaricen los costos para que un mayor número de golpes resulte en una negociación por un mayor costo/longitud de perforación o un requisito para algún tipo de operación de extracción de testigos. Las pruebas SPT anteriores a aproximadamente 1967 (según ASTM) solo requerían que el muestreador se asentara y luego se impulsará 300 mm. Esta estipulación podría reducir el conteo de N en casi un 50 por ciento ya que los primeros 150 mm de asiento requerido producen una resistencia de fricción sustancial en el muestreador durante los siguientes 300 mm. Es lamentable que muchas correlaciones SPT actuales se basen en valores N de este procedimiento anterior. Tanto antes como después de la estandarización de ASTM, se observó regularmente que los valores de Af de pozos adyacentes o del uso de diferentes equipos en pozos adyacentes no eran reproducibles. Debido al amplio uso de SPT, este problema recibió mucha atención, primero por parte de Gibbs y Holtz (1957), quienes consideraron que la presión de sobrecarga y la longitud de la barra de perforación eran las causas principales de la no reproducibilidad. Más allá de esto, no se hizo mucho hasta que de Mello (1971) presentó un estudio exhaustivo de la literatura que inició un enfoque en la energía impulsora [Schmertmann (1975)].

Las discrepancias pueden surgir de factores tales como el uso de una zapata de conducción deformada o desgastada, empujar una roca (generalmente detectada por un perforador experimentado) y permitir una condición rápida en el fondo del pozo como resultado de la extracción demasiado rápida de la barrena o el tapón de la broca o de un diferencial. en el nivel del agua entre GWT y en el agujero (o vástago de barrena hueca). Se evita una condición rápida prestando atención a la norma ASTM 1586. El estado de la zapata de transmisión se puede garantizar mediante una inspección periódica, especialmente después de una conducción intensa. La atención adecuada a estas causas de discrepancias deja la energía impulsora de entrada y su disipación alrededor del muestreador en el suelo circundante como los factores principales para el amplio rango de valores de Af.

Debe ser evidente que el número de golpes estaría directamente relacionado con la energía impulsora, que teóricamente se calcula de la siguiente manera:

Donde W = peso o masa del martillo y h = altura de caída. Esto da, para el martillo estándar de 63,5 kg y h = 762 mm (30 pulg.), la entrada teórica de energía impulsora de:

Kovacs y Salomone (1982) encontraron que la entrada real de energía de conducción Ea al muestreador para producir la penetración oscilaba entre el 30 y el 80 por ciento; Riggs et al. (1983) obtuvieron entradas de energía que oscilaban entre el 70 y el 100 por ciento. Estas discrepancias parecen surgir de factores como los siguientes:

1. Equipos de diferentes fabricantes. Actualmente se utiliza una gran variedad de plataformas de perforación; sin embargo, la barrena rotatoria con el martillo de seguridad es la más común en la práctica norteamericana.

2. Configuraciones de martillo impulsor. El yunque también parece tener cierta influencia en la cantidad de entrada de energía al muestreador.

3. Si a. el martillo utiliza un disparo automático con la altura de caída h controlada dentro de ±25 mm, o b. el sistema utilizado es un cabestrante de cable (polea de toma de fuerza de baja velocidad) con Ea dependiente de:

4. Si se usa un revestimiento dentro del muestreador de barril dividido. La fricción lateral aumenta la resistencia a la conducción (y AO y es menor sin el revestimiento. Es una práctica común no usar un revestimiento. También parecería que los valores de N deberían ser mayores para suelos con OCR > 1 (y mayor densidad relativa Dr) que para suelos normalmente consolidados.

5. Presión de sobrecarga. Los suelos de la misma densidad darán valores de TV más pequeños si p'o es más pequeño (como cerca de la superficie del suelo). Los pozos de gran tamaño del orden de 150 a 200 mm también reducirán N a menos que se use una barrena rotatoria de vástago hueco con la barrena en estrecho contacto con el suelo en el fondo del pozo. El grado de cementación también puede ser significativo para dar recuentos más altos de N en zonas cementadas que pueden tener poca presión de sobrecarga.

6. Longitud de la barra de perforación. Por encima de unos 10 m, la longitud de la barra no parece crítica; sin embargo, para longitudes más cortas y Af < 30 sí lo es. Este efecto fue examinado por primera vez por Gibbs y Holtz (1957) y posteriormente por McLean et al. (1975) y otros [ver Sehmertmann (1979)], quienes usaron un modelo de computadora para analizar la influencia de la longitud de la barra, así como otros factores como la resistencia del muestreador. De varios estudios recientes citados (y sus listas de referencia) se ha sugerido que el SPT se estandarice a alguna relación de energía Er que se debe calcular como:

Hay propuestas para calcular Ein con base en la velocidad medida del martillo en el impacto con el yunque o como la energía medida en la barra de perforación justo debajo del yunque. Parecería, sin embargo, que usando el valor teórico para Em sería preferible ya que no depende del equipo. Dado que hay una amplia dispersión en Er y el conteo de golpes resultante Af cuando es razonable esperar que haya un N único para el suelo a cierta profundidad, se sugiere que el sistema de perforación dependa del Er de la ecuación. (d) estar referenciado a un valor de relación de energía estándar E^. De esta manera, un equipo de perforación con, digamos, Er = 45, al ajustarse al estándar Er\, calcularía aproximadamente el mismo conteo de N que para un equipo de perforación con Er = 70. Hay varias sugerencias actuales para el valor de la relación de energía estándar Erb como sigue:

Bowles (1988) sugiere utilizar 70 ya que los datos más recientes usando equipo de perforación actual con un martillo de seguridad o automático y con la atención del perforador a los detalles de la norma ASTM D 1586 indican que esto es cercano a la relación de energía real Er obtenida en la práctica norteamericana. Sin embargo, si se especifica una relación de energía estándar Erb diferente, es un ejercicio trivial convertir a la base diferente, como se mostrará a continuación. El número de golpes estándar N’70 se puede calcular a partir de la Af medida de la siguiente manera:

ηi= Factores de ajuste (Tabla 1)

N'70= Ajuste de N

CN= Ajuste por presión efectiva p'0 (Liao y Whitman, 1986)

Tenga en cuenta que los valores más grandes de Er disminuyen el número de golpes N casi linealmente, es decir, Er45 da N = 20 y Er90 da N = 10; sin embargo, usar el valor "estándar" de Er70 da un valor de N = 13 para cualquiera de los equipos de perforación. Obtenemos esto al notar que la relación de energía X número de golpes debe ser una constante para cualquier suelo, por lo que:

Para la Er1 = 70 elegida arbitrariamente, esto da, en general.

Del ejemplo anterior N2 para Er45=20=Er2 tenemos:

Usando la relación dada por la ecuación anterior podemos convertir fácilmente cualquier relación de energía a cualquier otra base, pero tenemos que conocer la relación de energía en la que se obtuvo inicialmente el conteo de golpes.