ENSAYOS DE PENETRACIÓN ESTÁTICA CPT-CPTU

UNIVERSIDAD EAFIT- ESP. MECÁNICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES

Daniela Afanador, María Alejandra Bautista, Mónica Patiño, Sara María Sierra

1. INTRODUCCIÓN

El ensayo de Penetración Estática CPT (Cone Penetration Test) es un método de exploración del subsuelo que permite la adquisición continua de la resistencia de los diferentes estratos que componen el perfil del suelo, mediante la penetración o hinca de una punta cónica a una velocidad constante. Por medio de este ensayo se mide el esfuerzo necesario para la penetración (Qc) y el rozamiento lateral local Fs.

Actualmente, lo más común en proyectos de ingeniería, es el empleo de conos eléctricos, cuya configuración y modo de operación está estandarizado por la norma ASTM D-5778-12.

El objetivo de este documento es proveer conceptos básicos teóricos de los ensayos CPT y CPTU, tales como aplicación, ejecución e interpretación de los resultados, que puedan servir de consulta al interesado.

2. OBJETIVO DEL ENSAYO, VENTAJAS Y DESVENTAJAS

El ensayo de penetración estática (CPT, Cone Penetration Test) consiste en hincar a presión un cono a una velocidad constante y medir el esfuerzo necesario para la penetración denominado qc. En algunos conos de tipo móvil, se mide además el rozamiento lateral local denominado como fs. Desde el punto de vista geológico/ geotécnico el ensayo presenta tres aplicaciones principales:

Determina el perfil estratigráfico del terreno. Evalúa los parámetros geotécnicos de los mantos. Calcula la capacidad portante del terreno y asentamientos.

Normalmente el ensayo se realiza en suelos de granulometría fina pues la presencia de gravas o suelos cementados, conducen al rechazo del ensayo y puede dañar los equipos; se considera que es un método que debe de complementarse con sondeos mecánicos convencionales, sus ventajas con respecto a estos son:

Posibilidad de diferenciar entre penetración drenada, parcialmente drenada y no drenada.

Posibilidad de evaluar las características de consolidación del suelo ensayado.

Estimar las condiciones de equilibrio hidrostático. Se obtiene información continua del suelo ensayado (cada 1 o 2 cm) Evita la alteración del terreno asociada a las perforaciones Mayor cantidad de datos obtenidos a un mismo costo

Como desventajas principales de este ensayo se tienen:

1

No es posible la recuperación de muestra Solo puede ejecutarse en suelos con granulometría fina (arenas finas, limos,

arcillas), ya que la presencia de materiales tales como: gravas, bolas de rocas, roca, pueden ocasionar daños en el equipo.

Solo pueden medirse directamente parámetros como: estratigrafía del suelo, y presión de poros; los demás parámetros que determinan la resistencia del suelo deben ser estimados con base en correlaciones con la literatura.

3. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

En términos generales el equipo de piezocono consta de los siguientes componentes, descritos a continuación de acuerdo con (Devincenzi y Frank 2004).

3.1. Punta o sonda CPT/CPTU: El equipo para el ensayo de Penetración Estática ha tenido una evolución en el tiempo, que incluye las puntas cónicas mecánicas hasta las puntas eléctricas que son las que se usan actualmente. Los primeros conos fueron de tipo mecánico, diseñados para obtener la resistencia a la penetración en la punta (qc) (cono holandés); posteriormente (Begemann, 1953) introdujo una mejora en el equipo añadiéndole un fuste o “chaqueta de adhesión” situado detrás de la punta cónica, para medir la fricción (fc) en el terreno con el avance de la hinca; en ambos casos el movimiento de la punta y el fuste o encamisado de fricción se logra por medio de un varillaje interno.

Imagen 1 Comparación del cono Holandés con cono con fuste de Begemann (Devincenzi y Frank 2004).

La versión más reciente del equipo consiste en un cono eléctrico dotado de sensores de presión que permiten capturar tanto la resistencia en la punta (Qc) como la fricción (Fc). La información adquirida se transmite a la superficie por medio de un cable que pasa por el interior de las varillas de hinca (Frank y Devincenzi, 2004). Cuando en el cono eléctrico se instalan sensores y elementos porosos que permiten realizar mediciones de la presión intersticial, la denominación del equipo es la de Piezocono y el ensayo corresponde a CPTU. Con este ensayo es posible medir las presiones de poros generadas durante la Hinca.

Las dimensiones del piezocono aceptadas por los estándares europeos y Norte-Americanos, corresponden a un área de la base de 10 cm2, ángulo de la punta de 60°, área de la superficie del fuste o encamisado de fricción detrás de la punta de 150 cm2 y espesor del elemento poroso de 5 mm. En la siguiente

2

figura se muestran las características de la sonda y la configuración del cono y la terminología empleada para designar cada una de sus partes.

Imagen 2 Especificaciones y partes del cono eléctrico

3.2. Filtros porosos: Como se mencionó previamente, el piezocono consta de filtros porosos que permiten poner en contacto el agua con los sensores de presión del instrumento. Estos filtros deben ser lo suficientemente permeables para lograr una respuesta óptima de los sensores de presión, pero a la vez de impedir la entrada de aire o pérdida de saturación, adicionalmente deben ser resistentes a la abrasión. Existen filtros porosos de varios materiales como: cerámicos, arena cuarzosa cementada, polipropileno, teflón, entre otros. (Frank y Devincenzi, 2004).

Los filtros pueden ubicarse en diferentes posiciones: en el frente del cono (U1), en la base del cono (U2), detrás del fuste de fricción (U3). La posición de estos elementos no está estandarizada y varía dependiendo de los objetivos del estudio (Frank y Devincenzi, 2004).

Imagen 3. Esquema y terminología del Piezocono (modificado de ISSMGE, 2001).

3.3. Varillaje: son los distintos tipos de varillaje que sirven para la hinca del piezocono. Estos pueden ser de dos tipos, el primero se usa para hincar el

3

equipo y el segundo se usa para encamisar la excavación en mayores profundidades y evitar así que la fricción generada a lo largo de todo el varillaje que dificulte la penetración. (Díaz, 2011)

3.4. Sistema de hinca piezocono: El cono y el varillaje que se agrega encima del mismo a medida que avanza el ensayo, es hincado en el terreno por un dispositivo hidráulico montado en un vehículo apropiado. No se debe avanzar a golpes o rotando. La punta y el varillaje son hincados bien por el peso del vehículo o mediante anclajes en el terreno. Las reacciones oscilan entre 5 y 20 toneladas, el equipo de empuje debe de poder nivelarse para garantizar la verticalidad del ensayo. (Frank y Devincenzi, 2004).

3.5. Equipo de toma de datos: Los sistemas eléctricos están equipados con sistemas de adquisición de datos que permiten registrar en tiempo real los parámetros obtenidos con el ensayo. Al realizar el ensayo las células de carga incluidas en el interior de la punta envían señales analógicas, que tras ser amplificadas son convertidas en señales digitales. Las señales digitales son interpretadas por un ordenador en superficie, restituyendo en forma gráfica y numérica los valores de qc, fs, u. (Frank y Devincenzi, 2004).

Existen otros sistemas que no usan cableado y trasmiten los datos por señal acústica o se almacenan los datos al interior del cono hasta el final de la prueba. En la Figura 3, se muestra el equipo de hinca y el de toma de datos.

Imagen 4. Camión, sistema de hinca y equipo de toma de datos (Díaz, 2011)

4. MÉTODO DE EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS CPT/CPTU ENSAYO

El procedimiento principalmente consiste en introducir a presión, la punta del cono en el suelo, a una velocidad entre 10 y 20 mm/s; el equipo posee sensores que permiten medir por separado la el esfuerzo del suelo a la penetración de la punta del cono (qc) y la fricción que se desarrolla durante la penetración, en el mango ubicado por encima del mismo (fc), además de la

4

presión de poros.  El ensayo consta de los siguientes pasos de acuerdo con (Díaz, 2011):

1. Realizar un sondeo previo o sondeo de avance para determinar el Nivel Freático.

2. Instalar el equipo de empuje verticalmente. El equipo debe estar nivelado para la penetración del piezocono, no se permite una desviación vertical muy alta, ya que desviaciones grandes pueden resultar en una rotura del sistema de varillaje que daría como resultado una pérdida del cono. Para esto el penetrómetro de cono cuenta con un sensor que indica de cuánto es la inclinación.

3. Saturar correctamente el filtro poroso y la punta en su conjunto (CPTU).

Imagen 5. Preparación del cono

4. Verificar todas las conexiones eléctricas del sistema. 5. Introducir la punta y el varillaje en el interior del sondeo de avance,

evitando la aireación del sistema.

Imagen 6. Hinca del piezocono.

5

6. Esperar unos minutos antes comenzar la penetración con el fin de igualar lo más posible la temperatura del suelo y la punta.

7. Verificar los ceros iniciales (voltaje a carga 0). 8. Penetrar en el suelo a una velocidad constante de 20 (±5) mm/seg. 9. Registrar los parámetros medidos (qcr, fsr y u), con una tolerancia en la

medida de la profundidad de 0,1 m.10.Retirar el varillaje y buscar obtener nuevamente el cero inicial para

descartar si no cumple con la precisión adecuada.

Para la correcta ejecución del ensayo, es necesario realizar la saturación del piezocono, ya que la presencia de aire dentro del sistema afecta el funcionamiento del equipo. El procedimiento descrito a continuación, es el resultado de la combinación de los métodos propuestos por (Robertson y Campanella (1988), y Parez y Fauriel (1988) en: Díaz, 2011):

1. Desaireación del filtro poroso en laboratorio.

2. Eliminar las burbujas de aire de las cavidades y conductos del cono.

3. Ensamble del cono y filtro dentro de un recipiente con agua, desaireado.

4. Desaireacion del conjunto ya montado, con una bomba de vacío (asegura el 100% de la correcta saturación del sistema).

5. Protección de la punta ensamblada y aturada con u capuchón de caucho hasta que entre en contacto con el agua.

5. FACTORES QUE AFECTAN LA MEDICIÓN

La prueba CPT es automatizada y estandarizada, sin embargo existen factores importantes que afectan la medida de la resistencia de la punta, fricción lateral y presión de poros; en la siguiente figura se han descrito algunos de estos factores:

Imagen 7. Factores que afectan la medida de la resistencia de la punta (qc), fricción lateral (fs) y presión de poros (Lunne et al.1997; Robertson y

Campanella 1989 en: (Robertson y Cabal, 2006).

FACTORES DESCRIPCIÓN

Efectos de presión de poros en la punta y resistencia lateral (“Efecto del área desigual”).

La presión de poros presiona en las superficies expuestas, detrás de la punta del cono y en los bordes de la manga de fricción. Deben corregirse la resistencia de la punta y resistencia de la manga por estas presiones.

Ubicación de filtro.

Las medidas de las presiones de poros dependen si el filtro se localiza en la punta del cono (u1), directamente detrás de la punta (u2), o detrás de la manga de fricción (u3).

Saturación de la presión de poro.

No saturado, se filtra y los transductores de presión ambos determinan resultados incorrectos y tardarán en medir la presión de poros.

6

FACTORES DESCRIPCIÓN

Efecto de carga axial

Las medidas de presión de poros pueden ser afectadas por la carga axial en el cono en algunas versiones más antiguas de penetrómetros.La mayoría de los nuevos conos que están comercialmente disponibles no tienen este problema.

Efectos de temperaturaLos cambios en la temperatura pueden causar un cambio en la lectura de las cargas.

Inclinación La dirección del empuje inicial debe estar de 2° con respecto a la vertical.

5.1. Efecto del Área desigual: Los factores mencionados arriba se deben tener en cuenta para obtener medidas exactas de resistencia de la punta, resistencia lateral y presión de poro. Un “efecto del área desigual” es causado por la geometría interna de la punta del cono resultando una presión de poro adicional, que actúa detrás de la punta. Para corregir dicho efecto se corrige la resistencia de penetración de cono medida, qc por medio de la siguiente ecuación (Robertson y Cabal, 2006):

qT=qc+(1−an ) u2

Donde: qT= resistencia de penetración de cono corregida qc= resistencia de penetración de cono medida u2= presión del poro medida en la manga sólo detrás de la punta del cono an= proporción de área de cono.

La proporción de área de cono es aproximadamente igual a la proporción del área de la sección transversal de la célula de carga o eje, “An”, dividido por el área del cono proyectada “Ac” y puede determinarse experimentalmente (Lunne et al. 1997 en :Frank y Devincenzi, 2004).

Los valores típicos de la proporción de área de cono están en un rango de 0.55 a 0.9. Este efecto es significante en arcillas suaves a firmes y en sondeos profundos de sedimentos dónde las presiones hidrostáticas son grandes. El efecto es mínimo en arenas porque la magnitud de la resistencia de penetración “qc” es mayor que la medida de la presión del poro.

5.2. Ubicación del filtro: Si sólo una medida de presión de poro es realizada en el cono, entonces en la mayoría de los casos se recomienda poner el elemento poroso directamente detrás de la punta del cono (u2). Lunne et al. (1997) presentan las siguientes razones para medir las presiones de poro a la situación del u2:

El filtro es menos susceptible de ser dañado estando localizado detrás de la punta del cono que en la punta del cono.

Las medidas u2 son menos influenciadas por la condensación de la punta del cono durante la prueba.

Pueden usarse las medidas de u2 directamente para corregir la resistencia de la punta por el efecto del área desigual.

7

5.3. Temperatura: La mayoría de los conos modernos está provista con las células de carga temperatura-compensadas, Sin embargo, los efectos de temperatura todavía pueden ser significantes en las cargas pequeñas, como cuando se encuentran en suelos suaves. Estos efectos pueden considerarse tomando ciertas lecturas antes y después de un CPT a la misma temperatura como para el suelo e instalando los sensores de temperatura en el cono (Lunne et al. 1997 en: Robertson y Cabal,2006).

6. INTERPRETACION DEL ENSAYO DE DISIPACIÓN DE PRESIÓN DE POROS CPTU

El CPTU (por sus siglas en Ingles), se ejecuta durante la penetración con un Piezocono, el cual tiene como función obtener las lecturas de las presiones de poros para una determinada localización de los elementos o filtros porosos.

Este ensayo consiste en permitir que el exceso la presión de poros producida por la penetración se disipe durante un intervalo de tiempo. En arcillas, la presión de poros tardará más tiempo en disiparse hasta alcanzar un valor de equilibrio µ0, equivalente a la presión hidrostática, mientras que en arenas la presión intersticial se disipará rápidamente (Díaz, 2011). La presión de poros registrada es:

µm=µ0 + ∆µ

µm= presión de poros registrada µ0= presión hidrostática (hw*γw) donde, hw: Altura del agua, γw= peso

unitario del agua (9,8 KN/m3) µ0 en suelos saturados= (Z-ZW)*γW, Z=profundidad de interés,

ZW=profundidad hasta el nivel freático. ∆µ = Exceso de presión de poros inducida por la penetración

Para efectos prácticos la presión de poros normalizada es definida por (Lunne, et al. 1997 en: Balachowski, 2006) de la siguiente forma:

U=U t−U 0

U i−U 0

Ut = Presión de poros medida en el tiempo t U0= Presión de equilibrio in-situ U1= Presión inicial al principio de la disipación t=0

El ensayo se lleva a cabo en cualquier lapso de tiempo durante el cual se detiene temporalmente la penetración del piezocono. Durante este tiempo se va registrando continuamente el cambio en la presión de poros hasta alcanzar el valor de equilibrio o un porcentaje de dicho valor. La presión de poros de equilibrio en la mayoría de los casos coincide con el valor de la presión hidrostática existente a la profundidad donde se encuentra el sensor transmisor del equipo (Díaz, 2011).

Cuando el ensayo de penetración se detiene, ocurre una redistribución local de la presión de poros en la interfaz suelo-filtro poroso, donde actúan tanto los esfuerzos compresivos como los de corte. Como resultado de esta redistribución, la presión de poros (u2) tiende a incrementarse al inicio del

8

ensayo en suelos sobre consolidados (respuesta dilatoria), mientras que en suelos normalmente consolidados la presión de poros tiende a decaer monótonamente (Balachowski, 2006).

La disipación de la presión de poros depende del coeficiente de consolidación, permeabilidad, estructura e historia de esfuerzos del suelo. Por ejemplo en arenas y gravas la respuesta drenada es rápida y se observa en el momento de la penetración, el exceso de presión de poros se disipa en 2 a 3 minutos, aproximadamente y las presiones de poros obtenidas equivalen a la hidrostática (presión de equilibrio); las arcillas plásticas pueden tardar de dos a tres días para disipar los excesos de la presión de poros y alcanzar el valor de equilibrio (Mayne, 2002).

Para que el ensayo de disipación tenga significado y pueda aplicarse a la obtención del coeficiente de permeabilidad (K) y de consolidación, se registra el tiempo (t 50%) en el cual se ha producido el 50% la disipación de la presión intersticial.

El siguiente ejemplo tomado de (Mayne, 2002), tiene como fin ilustrar, como puede hallarse el t50% a partir de un ensayo de disipación.

El suelo sobre el cual se ejecutó la prueba consiste en una arcilla limosa, laminada de consistencia suave. Las condiciones hidrostáticas o de equilibrio, es decir, cuando el sistema se estabiliza y el 100% de la presión de poros se ha disipado, fueron alcanzadas en una hora (3600 seg).

Las presiones iniciales de penetración son ∆µ = 0%, que corresponden al 0% del decaimiento, µ0 corresponde al valor alcanzado cuando ocurre el 100% de la disipación. Este valor coincide con la presión hidrostática. En la siguiente figura, se muestra la gráfica de los datos obtenidos con los filtros porosos en las posiciones U1 y U2. El parámetro t50%. Se midió con el filtro poroso en la posición (U2).

Imagen 8. Curva del ensayo de disipación de la presión de poros (Mayne, 2002 en http: www.ce.gatech.edu/~geosys)

Con el valor t50%, es posible estimar el coeficiente de permeabilidad (K), a partir del cual se puede tener una idea del tipo suelo, a la profundidad de ejecución del ensayo, por lo que es posible definir las variaciones de los materiales a diferentes intervalos de profundidad.

El coeficiente de permeabilidad puede hallarse por medio de la expresión:

9

k (cm/s) = 1/(251X t50)1.25

El valor de K se correlaciona con diferentes tipos de material como se muestra en la siguiente figura.

Imagen 9. Clasificación del suelo ha partir del coeficiente de permeabilidad K y t50% (Mayne, 2002 en http: www.ce.gatech.edu/~geosys)

A partir de este ensayo se puede obtener el coeficiente de consolidación horizontal por medio de los siguientes métodos:

1) (Baligh y Levadoux, 1986 en: Balachowski, 2006 ) proponen lo siguiente:

Ch=T50%t 50%

r 2(Frank y Devincenzi ,2004) ,

Donde,

T50%= Factor de tiempot50%= tiempo en el que ocurre el 50% de la consolidaciónr2= radio del cono.

2) (Teh y Houlsby, 1991 en: (Frank y Devincenzi, 2004), definen un factor de tiempo modificado T*, que depende del índice de rigidez Ir.

T ¿=Ch∗t 50%r2∗√ IR

10

7. PARÁMETROS OBTENIDOS A PARTIR DE CPT/CPTU

7.1. Resistencia de la punta (qC): La resistencia a la penetración desarrollada en el cono es igual a la fuerza vertical aplicada al cono dividido por el área de la base del cono. En la ecuación (1) se muestra cómo se calcula (Díaz, 2011).

qc = Qc/Ac

Donde, qc =Resistencia del cono (Mpa,Kg/cm2) Qc=Fuerza aplicada sobre el cono (KN, ton, kg) Ac= área de la base del cono, 10 cm2

La resistencia del cono corregida se halla a partir de las mediciones de presiones de poros inducidas por la penetración. La resistencia del cono corregida se calcula a partir de la siguiente expresión propuesta por (Campanella, Robertson y Gillespie, 1986)

qt =qc + U2 (1-an)Donde,

qt =resistencia total del cono corregida (MPa, Kgf/cm2)an=cociente del área neta. Constante según calibración del equipo.

7.2. Resistencia por fricción (fs): La resistencia a la fricción en el fuste fs, equivale a la fuerza de corte aplicada en el fuste del cono dividido por el área del fuste, tal como se muestra en la siguiente expresión:

fs = Qs/As

Donde,fs= resistencia del fuste (MPa, Kgf/cm2)Qs = fuerza del fuste de fricción (KN, ton,Kgf)As= Constante del equipo.

La resistencia por fricción corregida se calcula de la siguiente forma:

Ft =fs + bnU2

Donde,ft= resistencia por fricción corregida (MPa, Kgf/cm2),bn =constante de calibración del equipo.

Otro parámetro relacionado con la fricción del fuste que debe ser obtenido, es la relación de la fricción RF la cual se define como el porcentaje de la relación entre la resistencia del fuste y la resistencia de la punta de la siguiente forma:

RF = ( fs/ qc)*100%

Para la determinación de esta relación se requiere la obtención de la resistencia de la punta cónica y de la fricción en el fuste en un mismo punto de la masa de suelo (Días, 2010). La punta del cono se toma como referencia de la profundidad.

7.3. Presión de poros hidrostática: Es importante tener en cuenta que los datos obtenidos en campo se deben normalizar con respecto a los esfuerzos efectivos y totales, debido a que algunas tablas de clasificación de suelos emplean datos normalizados (Díaz, 2011).

11

La normalización de estos parámetros se puede obtener con base en las siguientes expresiones:

Resistencia del cono normalizada:

Qt=qt−σ v0

σ ´ v 0

Relación de fricción normalizada

F r=f s

q t−σv 0

Relación de presión de poros

Bq=Δµ

qt−σv0

En donde,

Δu= Exceso de presión de poros (U2-U0)𝛔v0= Esfuerzo vertical total𝛔´v0 = Esfuerzo vertical efectivoU0= Estimación de la presión total de equilibrio

Los esfuerzos verticales totales de sobrecarga se calculan según la ecuación

𝛔v0= ∑(γ ti * Δzi)γ = peso unitario del suelo por capaΔzi =Espesor de la capa de suelo

8. PARÁMETROS EN SUELOS COHESIVOS

8.1. Resistencia a la corte no drenada: Una de las primeras utilidades del ensayo CPT fue, la evaluación del Cu, sin embargo el complejo comportamiento del suelo cohesivo y las variaciones de esfuerzos y deformaciones generadas por la penetración, hacen difícil establecer una base teórica para determinar su valor, conociendo el valor de qc, la estación del Cu puede realizarse mediante la relación (Díaz, 2011):

Donde Nkt= factor de cono, que es igual a 15 ± 3, el cual tiende a aumentar con la plasticidad del suelo y a decrecer con la sensibilidad de éste. En caso de que se tenga escasa experiencia es mejor hacer un análisis conservador en donde se escogerán valores cercanos al límite superior de 20 (Díaz, 2011):

En arcillas demasiado blandas, donde puede haber dudas de la precisión de q t , lo mejor es hacer el análisis de mediante el exceso de presión de poros (ΔU) usando la siguiente ecuación:

12

NΔU varía entre 4 y 10. Para análisis conservadores se recomienda tomar valores cercanos al límite superior de 10.

Finalmente, considerando la mecánica de suelos de estado crítico, la resistencia al corte no drenado se puede expresar como (Wroth 1984 en Díaz, 2011):

Donde ^, es el potencial plástico de deformación volumétrica. Para arcillas de baja a media sensibilidad 0,7≤^≤0,8, mientras para arcillas estructuradas 0,9≤ ^ ≤1,0.

8.2. Historia de esfuerzos – relación de sobre consolidación RSC: La relación de sobreconsolidación (RSC) es definida como la relación entre la máxima presión actuante sobre un elemento de suelo y la presión efectiva vertical actual:

El análisis de la curva qc, con la profundidad puede dar información aproximada de la historia tensional de los depósitos, en arcillas normalmente consolidadas en que RSC es igual 1, qc, decrece linealmente con la profundidad (Frank y Devincenzi, 2004).

9. PARÁMETROS EN SUELOS GRANULARES

9.1. Densidad relativa Para suelos granulares, la densidad relativa (D.R.%) es normalmente utilizado como un parámetro intermedio. No existe una única relación entre la resistencia a la penetración y la D.R.% ya que otros factores como la compresibilidad, OCR, etc., también influyen en el valor de qc.

A continuación se muestra una de las relaciones propuestas:

DR%≈−98+66 log ( qc

❑√σ ´ v 0)

Donde qc y σ ´ v 0 , se expresan t/m2.

13

Imagen 10. Influencia de la compresibilidad en la Densidad Relativa para arenas normalmente consolidadas. (Jamiolkowski et al., 1985 en: (Frank y

Devincenzi, 2004).

9.2. Ángulo de fricción: Existen numerosas teorías empíricas o semiempíricas que correlacionan la resistencia al corte drenado a partir del ensayo CPT o CPTU. Dos de las teorías utilizadas se basan en:

Como ha notado Vesic (1963) no existe una relación única entre la resistencia a la penetración estática y el ángulo de rozamiento ya que qc en terrenos no cohesivos depende de:

La resistencia al corte La deformabilidad.

Numerosas pruebas llevadas a cabo en cámaras de calibración han confirmado la imposibilidad de encontrar una relación Ø' – qc simple y general.

La siguiente figura muestra la Relación entre el factor de capacidad portante y el ángulo de rozamiento a partir de ensayos en cámara de calibrado (Robertson y Campanella, 1983 en: (Frank y Devincenzi, 2004).

(Clausen y Denver (1995) propusieron las siguientes relaciones para estimar el ángulo de rozamiento de arenas normalmente consolidadas (NC) y sobreconsolidadas (OC):

∅ ´ NC=17,2 °( qcσ ´ v 0 )

0,185

∅ ´ OC=17,2 ° [( qcσ ´v 0

)0,185]OCR−0,06

14

Imagen 11. Relación entre capacidad portante y el ángulo de rozamiento interno a partir de ensayos en cámara calibrado (Robertson y Campanela,

1983 en: (Frank y Devincenzi, 2004)

10. PERFIL ESTRATIGRÁFICO

Una de las aplicaciones del ensayo CPTU es el reconocimiento de un tipo de suelo según su comportamiento obteniendo de esta forma un perfil, a lo cual se suma la evaluación de los parámetros geomecánicos. El análisis de las curvas de qc, fs, u, FR% y Bq en función de la profundidad constituyen una potente herramienta geotécnica (Díaz, 2011).

El valor de qc es una medida de la resistencia del suelo, fs es una medida de la presión horizontal que se desarrolla durante la penetración y está afectada por el tipo de suelo. Los cambios entre distintos tipos de suelo se manifiestan en un cambio en la relación FR%. La presión u registrada es representativa del nivel que se mide, por esta razón se pueden registrar capas muy delgadas (<5cm) (Díaz, 2011).

En arenas densas, donde qc son elevados y los de u muy bajos o nulos, B q es prácticamente nulo. A la inversa en arcillas blandas, qc es bajo y u elevado. En términos generales, las propiedades del suelo que afectan el resultado del ensayo CPT/CPTU pueden resumirse como se presentan en la siguiente tabla:

15

Imagen 12. Bases para la interpretación estratigráfica del ensayo CPT/CPTU (Frank y Devincenzi, 2004).

11. CLASIFICACIÓN DEL SUELO

Tradicionalmente las variables que se manejaban para determinar el tipo de suelo ensayado son qc y FR%, posteriormente se comenzó a hacer uso de la presión intersticial. Campanella y Robertson (1998) han propuesto utilizar las tres variables disponibles con este ensayo: qc, u y fs en la forma qT Bq y FR% (Frank y Devincenzi, 2004).

Se debe tener en cuenta que el valor del fs mediso es menos preciso que el de qc, por estas razones numerosos autores han confeccionados ábacos de clasificación con base en qc (o qT) vs U (o Bq).

Los ábacos de clasificación resultan una aproximación a utilizar como guía, preferiblemente contrastadas con correlaciones locales. Factores tales como historia tensional, sensitividad, compacidad entre otros factores, influirán en las clasificaciones basadas tanto en FR% como en Bq. Los ábacos de clasificación están basados predominantemente en ensayos de hasta 30m de profundidad (Frank y Devincenzi, 2004), en la siguiente figura se presenta uno de los ábacos más usados para la clasificación del suelo.

16

Imagen 13. Clasificación del suelo según Robertson (1990)

Es importante notar que los ábacos no se refieren al tamaño real de las partículas, sino más bien al tipo del comportamiento del suelo en cuanto a sus condiciones de drenaje. El principal propósito del ensayo CPT no es dar la clasificación exacta de los suelos sino aclarar la estratificación y los límites entre los distintos mantos así como sus propiedades (Frank y Devincenzi, 2004).

Al proporcionar una enorme cantidad de datos (los parámetros se miden cada 1cm de profundidad) es posible llevar a cabo estudios geoestadísticos de las variables para analizar, esto permite crear modelos en 3D que son de gran utilidad para el estudio de facies sedimentarias además de estudios hidrogeológicos de cuencas sedimentarias recientes.

12. CONCLUSIONES

La principal aplicación del CPT y especialmente del CPTU, es la definición de la estratigrafía del terreno, ya que permite identificar pequeñas variaciones verticales en el subsuelo como capas o lentes de materiales de diferentes propiedades geotécnicas.

Con el CPTU también es posible medir directamente el exceso de presión de poros del suelo durante la hinca, lo que resulta de gran utilidad en el conocimiento de la respuesta hidráulica del suelo ante diferentes condiciones de drenajes.

Con el ensayo solo es posible determinar de forma directa la presión de poros y el perfil de suelo, por lo que muchos de los parámetros empleados para diseño se deben estimarse a partir de correlaciones.

Es importante tener en cuenta que la posición de los filtros porosos (U1, U2 y y U3), incide en los resultados de la presión de poros y los mismos deben ser usados según el propósito de las investigaciones.

Aunque en ensayo CPT/CPTU tenga como principal función la obtención de qc, fs y u, en combinación con otros captores puede obtener parámetros como temperatura, inclinación, velocidad de onda de corte etc.

Se recomienda en investigaciones geotécnicas, la ejecución de perforaciones adicionales que permitan la recuperación de muestras, y por lo tanto un mejor conocimiento del suelo.

Algunos factores como la presión de poros sobre las áreas desiguales de la punta, la influencia de la ubicación del filtro, velocidad de penetración y temperatura, afectan las lecturas del cono, por tanto los datos de salida deben de ser corregidos denominados como qT y fT..

Los ábacos no se refieren al tamaño real de las partículas, sino al tipo del comportamiento del suelo en cuanto a sus condiciones de drenaje. El principal propósito del ensayo CPT no es dar la clasificación exacta de los suelos sino

17

aclarar la estratificación y los límites entre los distintos mantos así como sus propiedades.

13. REFERENCIAS

Balachowski, L. 2006. Soft Soil Overconsolidation Dissipation Test. Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics. Vol. 53, No. 2, pp. 155–180 en: http: http://www.ibwpan.gda.pl/docs/ahem/ahem53str155.pdf.

Devincenzy, Frank. 2004. Ensayos Geotécnicos Insitu, su ejecución e interpretación. IGEOTEST, S.L, Figueres, Girona. pp.54-74. en http: www.igeotest.com.

Díaz, Gonzalo.2011. Trabajo de Grado-Caracterización de un sitio mediante un ensayo CPTU. Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá. 71p.

International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE). 2001. Practical applications of the cone penetration test a manual on interpretation of seismic piezocone test data for geotechnical design. 235p. en: http://www.geoplanning.it/test/wp-content/uploads/2012/02/Practical-applications.pdf.

Mayne, P.W. 2002. Flow properties from piezocone dissipation tests. 8 p. en: http: www.ce.gatech.edu/~geosys

18