Ensayos penetrométricos dinámicos y fórmulas empíricas 

Estudios in situ

Los estudios in situ buscan adoptar las técnicas oportunas que permitan determinar las características físico-mecánicas de los suelos a estudiar. Entre las investigaciones in situ se encuentran los ensayos penetrométricos, comúnmente utilizados para la caracterización físico-mecánica del volumen significativo del subsuelo. La combinación de estos ensayos con sondeos, pruebas de laboratorio de muestreos tomados durante las fases de perforación de sondeos y estudios indirectos (por ej. sísmica) se reconoce como una técnica válida en la investigación del subsuelo. Esto porque brinda indicaciones efectivas sobre los parámetros y sobre la naturaleza de los litotipos. Por lo tanto, las pruebas de laboratorio y los ensayos in situ no son excluyentes unas de las otras sino que más bien se consideran complementaras.

Clasificación de los ensayos penetrométricos

Entre los ensayos penetrométricos se distinguen:

• Ensayos estáticos: CPT y CPTU (con piezocono); [Descripción detallada en DIN 4094, 1974; BS 5930 e ISO22476-2, 2005; Tab.2]
• Ensayos dinámicos: DP, SPT y ensayos dilatométricos [Descripción detallada en ASTM6951-03 e ISO22476-2]

En este artículo se tratarán especialmente los ensayos penetrométricos dinámicos.

Ensayos penetrométricos dinámicos y sus ventajas 

El ensayo dinámico (dynamic probe) consiste en medir el número de golpes necesarios para hacer avanzar la punta del cono en el terreno cada 100mm (ó 200mm, dependiendo de la maza y el equipo). El incremento de la resistencia a la punta se mide como la resistencia al corte (shear strength).

Estas pruebas presentan las siguientes ventajas: velocidad de ejecución, facilidad de uso, precios menores, capacidad de suministrar un perfil continuo de subsuelo, identificación de capas delgadas de subsuelo, distinción entre suelos cohesivos y no cohesivos, permiten obtener parámetros geotécnicos del terreno mediante correlaciones y por ultimo, permiten evaluar la variación del grado de consistencia/densidad de los suelos investigados con una precisión decimétrica. Este último aspecto es de sumamente difícil o del todo imposible de determinar por medio de investigaciones más costosas. 

Estudios previos y consideraciones sobre cohesión no drenada Cu

El ensayo penetrometrico dinámico es extremadamente eficiente en la investigación de suelos incoherentes y, considerando algunas limitaciones objetivas, es posible ejecutarlo también en suelos limitadamente cohesivos, interpretando los parámetros de resistencia a la rotura según condiciones no drenadas mediante el valor Cu (cohesión no drenada).

Algunos autores han mostrado la relación entre diferentes características del suelo (Cohesión no drenada Cu) y los resultados de los ensayos penetrométricos dinámicos. En particular, la resistencia a la punta (dynamic point resistance, q_d) se puede calcular usando las siguientes fórmulas:

q_d=M1/(M1+M2)*r_d

r_d = M1*g*h/A*e

Donde:

• • r_d : unit point resistance (Pa);
  • M1: tamaño de la maza (Kg);
  • M2: peso del varillaje (Kg);
  • g: aceleración de gravedad (m/s2);
  • h: altura de caída de la maza (m);
  • A: área de base del cono (m²);
  • e: penetración promedio en metros por golpe (0.1/M de los ensayos DPL, DPM y DPH y 0.2/M da DPSH; M: es el número de golpes por 100mm de penetración)

Butcher et al (1996) han demostrado que los resulatdos de las pruebas dinámicas obtenidas con distintas configuraciones de los equipos muestran valores similares de qd para los mismos perfiles de suelo arcilloso. Con base en datos obtenidos de estudios en suelos cohesivos,  los autores han determinado la cohesión no drenada Cu (Kpa) tal como se presenta en la Tab.1.

Soil type	Correlation	References
Soft clay	Cu=qd/170+20 (Cu<50kPa)	Butcher et al (1995)
Hard clay	Cu=qd/22 (Cu≥50kPa)	Butcher et al (1995)
Clay	Cu=qd/20	Langton (2000)
Fine soil	Log10CBR=0.35+1.06Log10*qd	Amor et al (1999)
Fine soil	MR=532.1(DCPI)^-0.492	Rahim and Georg (2004)

Tabla 1 – Comparación de los datos de correlaciones entre los resultados de los ensayos dinámicos y CBR, MR y Cu. MR is the resilient modulus (MPa); CBR, California bearing ratio (%); qd, dynamic point resistance (KPa); DCPI, penetration index of the dynamic penetration test (mm/blow); Cu, undrained shear strength (kPa).

Detalles de los ensayos penetrométricos dinámicos

Estimación de la cohesión no drenada (Cu)

Algunos autores han propuesto una relación entre los resultados obtenidos por la prueba penetrométrica dinámica (qd) y la cohesión no drenada (cu) como me muestra a continuación:

logqd=0.637logcu+2.243

la fórmula se puede reescribir como:

 cu=qd^1.57/3320

Estimación del porcentaje de compactación (CP)

Una de las aplicaciones del ensayo penetrométrico dinámico podría ser el control del grado de compactación (fill compaction quality) por ejemplo para material cohesivo del núcleo de un terraplén para presas (embankment dams) o para aceras.

Khodaparast et al. (2015) han determinado una correlación experimental entre CP y el dato qd obtenido con las pruebas penetrométricas (DPM  y DPL, Tab.1) sesegún las ecuaciones:

CP= 131.27(DCPI)^-0.240	para DPL
CP=155.96 (DCPI)^-0.280	para DPM

Donde:

• DCPI es elíndice de penetración del ensayo penetrométrico dinámico en mm/golpe
• CP es la compactación porcentual 

Innovación 

Como se vió anteriormente, qd se calcula de la diferentes las pruebas penetrométricas dinámicas, por lo tanto se puede correlar tal dato a CD como a continuación:

CP= 16.654qd^0.193

La innovación y la ventaja de esta correlación es la siguiente: mientras que las otras fórmulas de correlación están relacionadas con pruebas específicas (ej. DPC), ésta en cambio se basa en la resistencia a la punta (qd) que se puede usar para diferentes configuraciones de pruebas dinámicas .

En la Fig.1 se muestra la buena correlación entre los resulatdos obtenidos de las pruebas experimentales .

Software Geostru Dynamic Probing

Las fórmulas antes descritas han sido implementadas en las últimas actualizaciones del software Geostru Dynamic Probing y, específicamente en la sección “Current test”, se han incluido también las columnas con los datos relativos a CBR, MR y CP (Fig.2).

Sugerencias de Software y Geoapp

Considerando lo anterior, para mejor abordar los estudios que conciernen aspectos del análisis de los resultados de los ensayos penetrométricos, se aconsejan en particular los siguientes software:

• DYNAMIC PROBING – Ensayos penetrométricos dinámicos– Programa Programa de elaboración de Pruebas Penetrométricas Dinámicas con gestión y archivos de cada tipo de sonda penetrométrica (incluso nueva o personalizada) y pruebas SPT en la perforación.
• STATIC PROBING – Ensayos penetrométricos estáticos– Programa para archivar y elaborar Ensayos de Penetración Estática con punta mecánica CPT, punta eléctrica CPTE y piezocono CPTU.

Entre las aplicaciones disponibles en la página web Geoapp (servicio disponible para efectuar cálculos on-line) hay varias que se pueden utilizar junto con los software antes citados, como por ejemplo:

• Formulario NSPT
• Classificazione suoli NTC2018
• Classificazione delle terre SMC

Bibliografía

American Society of Testing Materials, Standard test method for use of the dynamic cone penetrometer in shallow pavement applications (D 6951-03), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003.

British Standards Institution, Code of Practice For Site Investigations,1999, BS 5930, pp. 59-60.

Butcher AP, McElmeel K, Powell JJM. Dynamic probing and its use in clay soils, In Proceedings of the International Conference on Advances in Site Investigation Practice, ICE London, Thomas Telford, 1996, pp. 383-395.

Deutsches Institut fur Normung, Dynamic and static penetrometers, Dimensions of apparatus and method of operation, DIN 4094, e. V. Berlin, 1974.

ISO 22476-2, Geotechnical investigation and testing, Field testing, Part 2: Dynamic probing, Case postal 56, CH-1211 Geneva 20, 2005.

Khodaparast M., Rajabi A.M. and Mohammadi M., 2015 – The new empirical formula based on dynamic probing test results in fine cohesive soils.