Prueba de penetración estándar

El ensayo de penetración estándar ( SPT ) es un ensayo de penetración dinámico in situ diseñado para proporcionar información sobre las propiedades geotécnicas del suelo . Este ensayo es el más utilizado en la exploración del subsuelo a nivel mundial. El procedimiento se describe en las normas ISO 22476-3, ASTM D1586 ^{[ 1 ]} y la norma australiana AS 1289.6.3.1. El ensayo proporciona muestras para su identificación y una medida de la resistencia a la penetración, útil para el diseño geotécnico. Existen diversas correlaciones, tanto locales como internacionales, ampliamente publicadas, que relacionan el número de golpes (valor N) con las propiedades geotécnicas del suelo.

La perforación deberá avanzarse gradualmente para permitir el muestreo intermitente o continuo. Los intervalos suelen ser de 1,5 m (5 pies) o menos en estratos homogéneos. Las pruebas y el muestreo deben realizarse en cada cambio de estrato.

Una vez que el pozo haya alcanzado la profundidad deseada y se hayan retirado los detritos sobrantes, se podrán realizar las pruebas y la toma de muestras.

La prueba utiliza un tubo de muestreo de paredes gruesas, con un diámetro exterior de 5,01  cm (2  pulg.) y un diámetro interior de 3,5  cm (1,375  pulg.), y una longitud de al menos 60  cm (24  pulg.). El tubo de muestreo se introduce en el suelo en el fondo de una perforación mediante golpes de un martillo de 63,5  kg (140  lb) que cae desde una altura de 75  cm (30  pulg.). El tubo se introduce un total de 45  cm en el suelo y se registra el número de golpes necesarios para que el tubo penetre cada intervalo de 15  cm (6  pulg.) hasta una profundidad de 45  cm (18  pulg.). La suma del número de golpes necesarios para el segundo y tercer intervalo de penetración de 15  cm (6  pulg.) se denomina "resistencia a la penetración estándar" o "valor N". El valor N proporciona una indicación de la densidad del suelo y se utiliza en muchas fórmulas empíricas de ingeniería geotécnica.

La prueba puede detenerse si se cumple alguna de las siguientes condiciones: (1) se han aplicado un total de 50 golpes en cualquiera de los intervalos de 15  cm (6  pulgadas), (2) se han aplicado un total de 100 golpes en la profundidad total de 45  cm (18  pulgadas), o (3) no se observa ningún avance del tubo de muestreo durante 10 golpes sucesivos.

La principal ventaja de esta prueba radica en su simplicidad, bajo costo y amplia utilización. Los parámetros de resistencia del suelo que se pueden inferir a partir de los resultados de la prueba SPT son aproximados, pero pueden servir de guía útil en terrenos donde no es práctico o posible realizar pruebas de laboratorio más avanzadas.

Otra ventaja de la prueba es la obtención de una muestra de suelo alterado para determinar su contenido de humedad, así como para su identificación y clasificación. Si bien la calidad de la muestra generalmente no es adecuada para pruebas de laboratorio de propiedades geotécnicas debido a la alteración del suelo, que provoca cambios en dichas propiedades, el uso de un muestreador de tubo de paredes delgadas puede reducir la alteración en suelos blandos.

Cuando la prueba se realiza en suelos granulares por debajo del nivel freático , el suelo puede aflojarse. En ciertas circunstancias, puede ser útil continuar introduciendo el muestreador más allá de la distancia especificada, añadiendo más varillas de perforación según sea necesario. Si bien esta no es una prueba de penetración estándar, y no debe considerarse como tal, al menos puede dar una indicación de si el depósito es realmente tan suelto como lo indicaría la prueba estándar.

El SPT también puede utilizarse para la determinación empírica de la susceptibilidad de una capa de arena a la licuefacción del suelo , según investigaciones realizadas por Harry Seed, T. Leslie Youd y otros. Para este fin, el valor N debe normalizarse a un nivel de tensión de sobrecarga estándar.

A pesar de sus numerosas limitaciones, es práctica habitual correlacionar los resultados del SPT con las propiedades del suelo relevantes para el diseño geotécnico. Los resultados del SPT son mediciones de campo in situ y, a menudo, son los únicos resultados de ensayos disponibles. Por ello, el uso de correlaciones se ha convertido en una práctica común en muchos países.

En la tabla siguiente se puede observar una relación aproximada entre el valor N del SPT, la densidad relativa y la densidad aparente para materiales de grano grueso. Esta relación se cita en la publicación del manual de ingeniería del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. sobre el diseño de tablestacas, desarrollada a partir de Terzaghi y Peck (1948) y Teng (1962). ^{[ 2 ]}

El ensayo de penetración estándar recupera una muestra muy alterada, lo que generalmente no es adecuado para ensayos que miden propiedades de la estructura del suelo in situ, como la densidad, la resistencia y las características de consolidación. Para superar esta limitación, el ensayo suele realizarse con un muestreador más grande con una punta ligeramente diferente, de modo que se minimiza la alteración de la muestra y la medición de las propiedades estructurales resulta útil para todos los suelos, excepto los blandos. Sin embargo, esto genera recuentos de golpes que no se convierten fácilmente a valores N del SPT; se han propuesto muchas conversiones, algunas de las cuales dependen del tipo de suelo muestreado, lo que dificulta la fiabilidad de los recuentos de golpes con muestreadores no estándar.

El número de golpes en la prueba de penetración estándar no representa una propiedad física simple del suelo y, por lo tanto, debe correlacionarse con propiedades del suelo de interés, como la resistencia o la densidad. Existen múltiples correlaciones, ninguna de las cuales es de muy alta calidad. ^{[ 3 ]} El uso de datos de SPT para la predicción directa del potencial de licuefacción se ve afectado por la imprecisión de las correlaciones y por la necesidad de "normalizar" los datos de SPT para tener en cuenta la presión de sobrecarga, la técnica de muestreo y otros factores. ^{[ 4 ]} Además, el método no puede recopilar datos precisos para capas de suelo débiles por varias razones:

1. Los resultados se limitan a números enteros para un intervalo de conducción específico, pero con recuentos de golpes muy bajos, la granularidad de los resultados y la posibilidad de un resultado cero hacen que el manejo de los datos sea engorroso. ^{[ 5 ]}
2. En arenas sueltas y arcillas muy blandas, el simple hecho de introducir el muestreador perturbará significativamente el suelo, incluso por la licuefacción de las arenas sueltas, lo que dará lugar a resultados basados ​​en las propiedades del suelo alterado en lugar de las propiedades del suelo intacto.

Se han propuesto diversas técnicas para compensar las deficiencias de las pruebas de penetración estándar, entre ellas la prueba de penetración con cono , las pruebas de corte con veleta in situ y las mediciones de velocidad de onda de corte .

• Ensayo de penetración de cono
• Investigación geotécnica
• Mecánica de suelos

• ASTM D1586/D1586M–18. 2018. Método de ensayo estándar para el ensayo de penetración estándar (SPT) y el muestreo de suelos con barril partido. ASTM International, West Conshokocken, PA.
• Braatvedt, I. (2008) Guía de ingeniería geotécnica práctica en el sur de África. 4.ª ed. Ciudad del Cabo: VIVO Design Associates.
• Holtz, RD y Kovacs, WD (1981) Introducción a la ingeniería geotécnica. Nueva Jersey: Prentice-Hall.
• Knappet, JA y Craig, RF (2012) Mecánica de suelos de Craig. 8.ª ed. Abingdon: Spon Press.
• Universidad de Missouri – Rolla. Apuntes de clase sobre la prueba SPT.