Método de correlación LPT-SPT: Ingeniería Geotécnica

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Un método para correlacionar los recuentos de
golpes de las pruebas de penetración grandes
(LPT) con los de las pruebas de penetración
estándar (SPT)
Chris R. Daniel, John A. Howie y Alex Sy
Resumen: El muestreador de cuchara dividida del ensayo de penetración estándar (SPT) es demasiado pequeño para las
investigaciones en suelos de grava. Por esta razón, varios investigadores han desarrollado versiones a escala del SPT,
comúnmente conocidas como "pruebas de penetración grandes" (LPT), y han intentado correlacionar los recuentos de golpes
medidos con los recuentos de golpes del SPT. En todo el mundo se han utilizado varios LPT, cada uno de ellos con diferentes
barras de perforación, dimensiones de los muestreadores y energías de los martillos; de ahí que las correlaciones LPT-SPT
publicadas difieran para cada sistema. Este artículo resume los datos del LPT en la literatura y presenta un método fundamental para predecir las correlaciones LPT-SPT. El método propuesto se basa en análisis de ecuaciones de onda de SPT y
LPT y considera variaciones en el equipo de prueba, la resistencia de penetración y la energía. Se demuestra que el método
proporciona un enfoque unificado para asimilar las diversas correlaciones LPT-SPT publicadas. Se recogieron datos
adicionales de SPT y LPT en un sitio de investigación de arena para comprobar el método propuesto y ampliar la base de datos
de LPT. Los factores de correlación observados y predichos muestran una buena concordancia. El método de correlación
propuesto será útil como marco lógico para la comparación de los datos LPT recogidos en todo el mundo. Será necesario
realizar investigaciones adicionales para ampliar este procedimiento a los emplazamientos de grava.
Palabras clave: ensayo de gran penetración, LPT, método de correlación fundamental, análisis de ecuaciones de onda, efectos
de tamaño de grano.
Resumen: El ensayo de penetración estándar (SPT) con el electrodo de corte es demasiado pequeño para los estudios en los
soles graves. En consecuencia, varios investigadores han desarrollado versiones de SPT a mayor escala, a las que se hace
referencia comúnmente con el nombre de "grandes ensayos de penetración" (LPT), y han intentado comparar los números de
golpes medidos con los del SPT. Se han utilizado varios LPT en todo el mundo, cada uno de ellos con tamaños de forraje,
dimensiones de desecho y energías de marteau diferentes, por lo que las correlaciones LPT-SPT publicadas difieren para cada
sistema. Este artículo resume los datos de las LPT disponibles en la literatura y presenta un método fundamental para predecir
las correlaciones LPT-SPT. El método propuesto se basa en los análisis de las ecuaciones de transmisión de ondas del SPT y
del LPT y tiene en cuenta las variaciones d e l equipo d e ensayo, de la resistencia a la penetración y de la energía. Se
demuestra que el método proporciona un enfoque unificado para comparar las diversas correlaciones LPT-SPT publicadas. Se
han recogido datos adicionales de SPT y LPT en un sitio de investigación constituido de sable para comprobar el método
propuesto y ampliar la base de datos de LPT. Se observa que los coeficientes de correlación observados y los presentados están
en buena concordancia. El método de correlación propuesto será útil como marco lógico de comparación de los datos de TPL
recogidos en todo el mundo. Serán necesarias investigaciones adicionales para ampliar este procedimiento a los sitios de
gravamen.
Palabras clave: gran ensayo de penetración, LPT, método fundamental de correlación, análisis de la ecuación de transmisión
de ondas, efectos de la granulometría.
[Traduit par la Rédaction]
Introducción
Los complejos problemas de ingeniería geotécnica
relacionados con los depósitos de grava aparecen cada vez
con más frecuencia en la literatura. En algunos casos, los
ingenieros intentan utilizar la mayor resistencia y rigidez
conocidas de las gravas para
Can. Geotech. J. 40: 66-77 (2003)
En otros casos, los ingenieros han considerado necesario
reevaluar la estabilidad de los cimientos de grava existentes a
la luz de las nuevas pruebas de licuefacción de la grava
durante las cargas sísmicas cíclicas. En un depósito de arena,
el ingeniero suele iniciar una investigación sobre el terreno de
estas cuestiones utilizando el ensayo de penetración estándar
(SPT, véase la American Society for
doi: 10.1139/T02-094
2003 NRC Canadá
Daniel et al.
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Recibido el 30 de octubre de 2001. Aceptado el 6 de agosto de 2002. Publicado en el sitio web de NRC Research Press en
http://cgj.nrc.ca el 21 de enero de 2003.
C.R. Daniel y J.A. Howie.1 Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Columbia Británica, Vancouver, BC V6T 1Z4, Canadá.
A. Sy. Klohn-Crippen Consultants Ltd., Suite 500 - 2955 Virtual Way, Vancouver, BC V5M 4X6, Canadá.
1
Autor correspondiente (correo electrónico: [email protected]).
2003 NRC Canadá
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Tabla 1. Detalles del SPT y de los cuatro tipos de LPT.
Parámetro
SPTa
JLPTb
Burmister LPTc
ILPTd
NALPTe
Diámetro exterior del muestreador, cm
(pulg.)
Diámetro interior del muestreador, cm
(pulg.)
Zapato abierto
Barril (sin revestimiento)
5.08 (2)
7.3 (2.9)
9.21 (3.625)
14.0 (5.5)
7.62 (3)
3.49 (1.375)
3.81 (1.5)
5.0 (2)
5.4 (2.13)
7.44 (2.93)
na
10.0 (3.9)
11.0 (4.3)
6.1 (2.4)
6.4 (2.52)
Peso del martillo, N (lb)
623 (140)
981 (220)
1112 (250)
5592 (1256)
1335 (300)
Altura de caída del martillo, cm (pulg.)
76.2 (30)
150.0 (59.1)
50.8 (20)
50.0 (19.7)
76.2 (30)
Energía potencial del martillo, kJ (ft-kip)
% SPT
0.473 (0.350)
100
1.472 (1.084)
311
0.565 (0.417)
119
2.796 (2.062)
591
1.020 (0.750)
214
NSPT NLPT
Observado en la arena
Observado en la grava
-
1.5
2.0g
0.42
-
1.14 f
0.89-1.02f
-
Nota: - indica que los datos no están disponibles; nd indica que no es aplicable.
a
ASTM D 1586-84.
b
Kaito et al. (1971); Yoshida et al. (1988).
c
Winterkorn y Fang (1975).
d
Crova et al. (1993).
e
Koester et al. (2000); Daniel (2000).
f
Los recuentos de soplos SPT e ILPT utilizados para desarrollar esta correlación se corrigieron al 60% de ER r y a una presión efectiva de sobrecarga de 100 kPa.
g
El suelo utilizado para desarrollar la correlación se clasifica como arena media a gruesa utilizando el sistema de Clasificación Unificada de Suelos (USC).
Testing and Materials (ASTM) D1586-84 para los detalles del
ensayo), la herramienta de caracterización geotécnica más
utilizada en el mundo, en la que se basan numerosos métodos
de diseño empíricos. Sin embargo, las dimensiones del
muestreador y la energía potencial del martillo del SPT se
seleccionaron originalmente para su uso en arenas, y
generalmente se considera que el SPT no es fiable para su uso
en gravas debido a los efectos del tamaño de los granos o que
es poco práctico debido a la insuficiente energía de entrada.
Algunos investigadores han intentado superar estos
problemas derivando recuentos de golpes (N) equivalentes del
SPT a partir de recuentos de golpes registrados con
muestreadores de cuchara dividida y martillos de gran
tamaño, comúnmente denominados "ensayos de gran
penetración" (LPT). Otros han comenzado a desarrollar
nuevas bases de datos de rendimiento del suelo indexadas
directamente a los recuentos de golpes del LPT. Se han
desarrollado varias versiones del LPT de forma independiente
en todo el mundo. Este artículo resume los detalles del LPT
de la literatura, incluyendo las correlaciones empíricas
publicadas entre el LPT y el SPT, y presenta un método
teórico para estimar los recuentos de golpes equivalentes del
SPT a partir de los registrados utilizando cualquier
combinación de muestreador de cuchara dividida y martillo
(es decir, cualquier LPT). El método se basa en análisis de
ecuaciones de onda de SPT y LPT y considera variaciones en
el equipo de prueba, la resistencia de penetración y la energía.
Se comparan los datos de SPT y "North American LPT"
(NALPT) recogidos cuidadosamente en un sitio de
investigación de arena para ampliar la base de datos de LPT y
comprobar el procedimiento de correlación teórica propuesto.
Aunque los muestreadores de cuchara dividida de diferentes
dimensiones están ampliamente disponibles, en la bibliografía
hay muy pocas descripciones de su uso en aplicaciones
geotécnicas. Las pocas descripciones que se han publicado se
resumen a continuación (los nombres se han asignado por
región de origen cuando es necesario).
El TPL en la literatura
Can. Geotech. J. 40: 66-77 (2003)
doi: 10.1139/T02-094
2003 NRC Canadá
Daniel et al.
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(1) LPT japonés (JLPT)
Propuestos por primera vez por Kaito et al. (1971), los
factores de correlación JLPT-SPT fueron desarrollados
para arenas y gravas por Yoshida et al. (1988) utilizando
los resultados de pruebas de cámara de calibración de
arenas y gravas saturadas. El tamaño medio de los
granos (D50 ) de las dos "gravas" ensayadas fue de 1,13
y
2,28 mm. Se utilizó un martillo del tipo "Tonbi" para las
pruebas, pero no se controló la energía de penetración
(ENTHRU). El diseño del muestreador es único, ya que
el diámetro exterior de la zapata es de 73 mm, mientras
que el del cañón es de sólo 70 mm.
(2) Burmister LPT
Winterkorn y Fang (1975) proporcionaron un factor de
correlación Burmister LPT- SPT basado en datos de
campo recogidos en arenas. La ENTHRU no fue
monitoreada durante la prueba.
(3) LPT italiano (ILPT)
Crova et al. (1993) proporcionaron factores de
correlación ILPT-SPT basados en datos de campo de
arenas y gravas arenosas en el sitio del puente de
Messina en Italia. El tamaño de grano medio de las
gravas arenosas oscilaba entre 0,5 y 44 mm
aproximadamente. La ENTHRU se midió mediante el
método de la fuerza al cuadrado (F2 ). Los recuentos de
golpes SPT e ILPT se corrigieron al 60% de las energías
teóricas del martillo.
(4) LPT norteamericano (NALPT)
Koester et al. (2000) y Daniel (2000) describen una
investigación de gravas y arenas arenosas cerca de
Seward, Alaska, que se cree que se licuaron durante el
terremoto del Viernes Santo de 1964. El programa de
pruebas incluyó SPT, NALPT y pruebas de penetración
de cono dinámico (DCPT). La ENTHRU se midió
utilizando los métodos F2 y de fuerza-velocidad (FV).
Los recuentos de golpes SPT y NALPT se corrigieron al
60% de las energías teóricas del martillo.
Los detalles de la prueba y los factores de correlación
LPT-SPT observados se resumen en la Tabla 1. Los
diámetros interior y exterior del muestreador-
2003 NRC Canadá
68
Fig. 1. Comparación de los detalles de los equipos SPT y LPT.
dividida SPT y (b)
Can. Geotech. J. Vol. 40, 2003
Fig. 2 . Fuerzas que actúan sobre (a) un muestreador de cuchara
un CPT estándar de 10 cm2 durante la penetración cuasiestática
(modificado según Schmertmann 1979).
ensayos de pilotaje de baja intensidad utilizando técnicas de
modelización de ecuaciones de onda desarrolladas para el
hincado de pilotes. El software de modelización de ecuaciones
de onda que tiene en cuenta las fuerzas de amortiguación
puede utilizarse para predecir el número de golpes en función
de los detalles del martillo, las varillas y el
y las energías de los martillos se comparan gráficamente en la
Fig. 1.
Los factores de correlación enumerados en la tabla 1
difieren principalmente por las diferencias en el equipo de
ensayo LPT, aunque cabe esperar algunas variaciones del
equipo SPT realmente utilizado. La comparación de los
factores de correlación se complica aún más por el hecho de
que sólo la mitad se deriva de los recuentos de golpes
corregidos por energía. En el presente documento se
desarrolla un método de correlación que aborda
específicamente las variaciones de la energía potencial del
martillo, la eficacia de la transferencia de energía y las
magnitudes relativas de la resistencia a la penetración del
muestreador.
Marco de comparación de LPT y SPT
El número de golpes medido durante un LPT o SPT es
principalmente una función de la resistencia que actúa sobre
el muestreador durante la penetración y la energía de entrada
de la prueba. Estos factores son comparables a los que afectan
a la penetración de un pilote. Por lo tanto, es posible conocer
la relación entre los diferentes sistemas de muestreo, varilla y
martillo utilizados durante los ensayos de pilotaje y los
2003 NRC Canadá
Daniel et al.
69
y los parámetros del suelo estimados. A continuación se
presenta la información de fondo pertinente para dicho
estudio.
Consideraciones sobre la resistencia a la penetración
Schmertmann (1979) comparó la resistencia que actúa
sobre un muestreador SPT que penetra en el suelo a una
velocidad lenta y constante con la que actúa sobre un cono
estándar de 10,0 cm2 durante un ensayo de penetración d e
cono (CPT, Fig. 2). El autor planteó la hipótesis de que la
fuerza (F) requerida para la penetración "cuasiestática" de un
muestreador SPT a la velocidad de penetración CPT estándar
de 2 cm/s podría estimarse a partir de las mediciones CPT a
la misma profundidad utilizando la fórmula
[1]
F = [C1AT + C2(ID + OD)LRf]qc - 
donde
C1 es el factor de correlación del rodamiento final SPTCPT;
2
2
AT = /4(OD - ID ) es el área de apoyo de la punta del
muestreador;
C2 es el factor de correlación de fricción SPTCPT; ID es el diámetro interior del
muestreador (cm);
OD es el diámetro exterior del muestreador (cm);
L es la profundidad de empotramiento de la cuchara
dividida (cm);
Rf = fs /qc;
fs es la tensión medida en el manguito de fricción CPT
(N/cm2 )
qc es la tensión medida en la punta del CPT (N/cm2 ); y
W es el peso de flotación de las barras de perforación (N).
Schmertmann comparó los datos de CPT obtenidos con un
cono mecánico Begemann con las mediciones de F obtenidas
a las mismas profundidades y propuso unos valores de C1 y
C2 de 1,0 y 0,7, respectivamente. Sugirió que la fs medida
era demasiado alta debido al diseño del cono mecánico y
predijo que tanto C1 como C2 serían aproximadamente
iguales a 1,0 para los datos del cono eléctrico. Sy y
Campanella (1991a) utilizaron esta ap-
2003 NRC Canadá
70
Fig. 3. Modelo típico de pilote o varilla de perforación para un
análisis de la ecuación de ondas (modificado según GRLWEAP
1997).
Can. Geotech. J. Vol. 40, 2003
Fig. 4. Respuesta idealizada del suelo a la carga estática y dinámica.
medido durante cada prueba porque la relación de energía
puede variar con la profundidad.
El método del Laboratorio Central de Puentes y Caminos
(LCPC), descrito por Bustamante y Giancarlo (1982), utiliza
un enfoque similar para estimar la capacidad axial de los
pilotes hincados. El método de de- signación de pilotes del
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC),
ampliamente utilizado, descrito por Bustamante y Gianeselli
(1982), utiliza un enfoque similar para estimar la capacidad
axial de los pilotes hincados a partir de los datos de CPT.
Entrada de energía
La eficacia de la transferencia de energía del martillo a las
barras de perforación se cuantifica mediante la relación de
energía de las barras (ERr)
ENTHRU
100%
[2]
ER
WH
donde ENTHRU es la energía de la onda de tensión que pasa
por un punto de medición en las barras de perforación, W es
el peso del martillo y H es la altura de caída del martillo. Se
puede medir la ENTHRU utilizando el método F2 descrito en
la norma ASTM D4633- 86 o el método FV que fue
recomendado por primera vez para aplicaciones SPT por Sy y
Campanella (1991b).
Schmertmann y Palacios (1979) demostraron que los
recuentos de golpes SPT medidos son inversamente
proporcionales a la ración de energía para los recuentos de
golpes inferiores a 50. Seed et al. (1985) y Skempton (1986)
propusieron posteriormente que los recuentos de golpes
medidos se corrigieran al valor que se habría registrado si se
hubiera transmitido una cantidad estándar de energía a través
de las barras. Se ha adoptado un valor estándar del 60% de la
energía potencial del martillo porque es la media histórica
medida para la mayoría de los equipos de perforación y
operadores. El recuento de golpes SPT corregido por energía
(N60)SPT se calcula
utilizando la proporcionalidad inversa de la siguiente manera:
ERr
[3]
(N60)SPT (N)SPT
60%
Modelización de la ecuación de onda
Como se ha descrito anteriormente, el número de golpes
medidos es principalmente una función de la resistencia a la
penetración y de la energía de entrada. Sería sencillo
relacionar el trabajo realizado por el muestreador con la
energía de entrada del martillo si el suelo se comportara como
un material plástico o elástico-plástico. Sin embargo, es bien
sabido que las fuerzas de amortiguación contribuyen
significativamente a la fuerza de resistencia total que actúa
sobre el muestreador. La fuerza de amortiguación es una
función de la tasa de penetración del muestreador que es, a su
vez, una función de
las características de la onda de tensión que transfiere la
energía del plano de impacto a la interfaz muestreador-suelo.
ERr
[4]
(NER )LPT (N)LPT
S
ERs
donde ERS es la relación de energía estándar seleccionada
para el martillo y las barras particulares. Tenga en cuenta que
ENTHRU debe ser
Del mismo modo, los recuentos de soplos LPT corregidos
energéticamente se calculan mediante la fórmula
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Daniel et al.
71
Un programa comercial de ecuaciones ondulatorias
ampliamente utilizado, GRLWEAP (GRLWEAP 1997),
modela las barras de perforación sometidas a cargas
dinámicas como una serie de elementos discretos conectados
por pares de resortes y amortiguadores, como se muestra en
la Fig. 3. La masa de cada elemento y la rigidez de cada
muelle se determinan a partir de la densidad, el módulo
elástico y el área transversal de las barras de perforación que
representan. Las fuerzas de amortiguación en las barras de
acero son bajas y se suelen utilizar parámetros empíricos de
amortiguación. El mismo enfoque se utiliza para modelar el
martillo.
La resistencia total a la penetración del muestreador
incluye componentes estáticos (S) y dinámicos (D). Se
supone que la componente estática es de naturaleza elásticoplástica y se presume durante la conducción y la posterior
carga estática. Los parámetros del suelo de entrada para el
componente estático son la resistencia estática última (Ru) y
el sismo (q), como se muestra en la Fig. 4. Es como...
suman que el componente dinámico es directamente
proporcional
al producto de la velocidad y la resistencia estática final
(amortiguación de Smith)
[5]
D JV
Ru
donde J es el factor de amortiguación de Smith y V es la
velocidad. Conceptualmente, todos los elementos de la varilla
están en reposo y todos los elementos del martillo se mueven
con una velocidad asignada al comienzo de un golpe de
martillo (o de la ejecución del programa). El programa calcula
la resistencia del amortiguador y el desplazamiento del muelle
en un paso de tiempo muy corto a las velocidades de los
elementos existentes. Las fuerzas netas resultantes que actúan
sobre cada elemento se utilizan para
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72
Can. Geotech. J. Vol. 40, 2003
Tabla 2. Entradas para los análisis de ecuaciones de onda del SPT, NALPT, JLPT e ILPT.
Detalle
Unidades
SPT
NALPT
JLPT
ILPT
Peso del martillo
N
(lb)
cm
(en.)
cm
(en.)
cm
(en.)
(%)
kJ
(ft-kip)
m
(pies)
cm2
(en.2 )
cm2
(en.2 )
cm
623
(140)
53.3
(21)
14.0
(5.5)
76.2
(30)
60
0.285
(0.210)
17.83
(58.5)
8.0
(1.24)
8.8
(1.37)
45.7
1335
(300)
69.9
(27.5)
17.8
(7)
76.2
(30)
60
0.610
(0.450)
17.83
(58.5)
9.3
(1.44)
13.9
(2.16)
45.7
981
(220)
36.8
(14.5)
21.1
(8.3)
150
(59)
60
0.883
(0.649)
17.83
(58.5)
10.1
(1.57)
18.8
(2.93)
45.7
5592
(1256)
59.9
(23.6)
39.1
(15.4)
50
(19.7)
60
1.678
(1.237)
17.83
(58.5)
60.6
(9.4)
59.4
(9.2)
45.7
(en.)
(18)
(18)
(18)
(18)
Longitud del martillo
Diámetro del martillo
Altura de caída
ERr
ENTHRU
Longitud de la varilla
Zona de varillas
Zona de muestreoa
Longitud del
muestreador
a
Se calcula utilizando el diámetro interior del barril del muestreador (es el área de la sección transversal de acero
aplicable para la mayor parte del muestreador).
Fig. 5. Resultados del análisis de la ecuación de onda para SPT, NALPT, JLPT e ILPT (ERr = 60%).
calcular las aceleraciones específicas de los elementos
utilizando la segunda ley de Newton. A continuación, se
calculan nuevas velocidades y desplazamientos para el
siguiente paso de tiempo utilizando las aceleraciones
revisadas. Este proceso se repite hasta que todas las fuerzas
de los muelles y las velocidades de los elementos sean nulas.
El desplazamiento final del muestreador se utiliza entonces
para calcular el recuento de golpes (número de golpes para un
desplazamiento de 305 mm).
Los análisis de las ecuaciones de onda del SPT, NALPT,
JLPT e ILPT se realizaron con GRLWEAP. El cuadro 2
resume
Método de correlación LPT-SPT propuesto
2003 NRC Canadá
Daniel et al.
73
riza los parámetros de entrada utilizados para cada análisis
(no se analizó el LPT de Burmister porque no se disponía de
las colas de ensayo pertinentes). Los parámetros de suelo
utilizados fueron los recomendados en el manual
GRLWEAP para suelos granulares. La resistencia del suelo
se aplicó sobre la parte inferior de 305 mm (12 pulgadas) del
muestreador para simular la profundidad media de
empotramiento del muestreador durante un SPT o LPT. El
diámetro interior del barril del muestreador (sin
revestimiento) se utilizó para calcular el área del
muestreador porque la mayor parte del muestreador tiene
esta área transversal de acero. Todos los recuentos de golpes
SPT y LPT se referenciaron a una relación de energía del
60% por conveniencia. Los recuentos de golpes previstos (N)
se representan en la Fig. 5 como
2003 NRC Canadá
74
Can. Geotech. J. Vol. 40, 2003
Fig. 6. Resultados del análisis de la ecuación de onda que muestra la relación inversamente proporcional entre la relación de resistencia del
suelo con respecto al número de golpes (N/Ru) y la ENTHRU.
función de la resistencia estática última Ru para cada una de
las pruebas de penetración.
La figura 5 ilustra que, para un sistema de ensayo y una
ENTHRU determinados, N aumenta con Ru. Esta tendencia es
similar a los gráficos de rodamiento utilizados para relacionar
la capacidad del pilote con la resistencia a la penetración del
mismo (por ejemplo, Authier y Fellenius 1983). Nótese que
las relaciones entre N y Ru son esencialmente lineales para los
recuentos de golpes inferiores a unos 50. Esto es conveniente
porque cada tipo de prueba puede ser definida únicamente por
la pendiente de su línea de mejor ajuste, es decir, la relación
entre el número de golpes y la resistencia del suelo (N/Ru).
En la figura 6 se comparan los coeficientes determinados para
cada uno de los
las pruebas mostradas en la Fig. 5 a los valores
correspondientes de la ENTHRU. Los datos están bien
representados por una única curva de mejor ajuste,
donde las relaciones N/Ru son inversamente proporcionales a
la ENTHRU. Esto es equivalente a la relación inversamente
proporcional entre el recuento de soplos y la energía de
entrada observada por Schmertmann y Palacios (1979). Los
análisis de sensibilidad perLos resultados obtenidos por los autores indican que, aunque
la posición vertical y, en menor medida, la forma de la curva
de mejor ajuste de la Fig. 6 son funciones de los parámetros
del suelo de entrada (sismo
y la amortiguación) y la geometría del martillo y de las barras
de perforación, la ENTHRU es el factor dominante que
controla la magnitud de la relación N/Ru para una prueba
determinada. Utilizando una relación de energía
que no sea el 60% para cualquiera de las ecuaciones de onda
SPT o LPT
hace que el punto de datos correspondiente en la Fig. 6
se mueven en paralelo a la curva de mejor ajuste. Esto indica
que ecuaciones similares a las ecs. [3] y [4] pueden ser útiles
para correlacionar los recuentos de soplos LPT con los SPT.
La figura 6 muestra que, para una condición determinada
al valor de la resistencia de penetración cuasistática F descrito
por Schmertmann (1979). Como primera aproximación, el
recuento de golpes para cualquiera de los sistemas SPT o LPT
puede estimarse mediante la ecuación
[6]
NERS (N / Ru) F
siempre que (ERS) sea la relación de energía utilizada para
determinar la relación N/Ru. Del mismo modo, el factor de
correlación entre el SPT y cualquiera de los LPT puede
estimarse tomando la relación de los dos
(N60)SPT
(N Ru )SPT F SPT
(N Ru )LPT FLPT
[7]
(NERS )LPT
Alternativamente, dado que las relaciones N/Ru de los SPT
y LPT se aproximan bien mediante una relación inversamente
proporcional (Fig. 6), las distintas relaciones se relacionan
como sigue:
(N Ru )SPT 0,66(ENTHRU)
LPT
[8]
(N Ru )LPT
0,66(ENTHRU)SPT
por lo que la ec. [7] puede escribirse como
[9] (N60 )SPT (ENTHRU)LPT FSPT
(NER )LPT
(ENTHRU)SPT FLPT
S
del emplazamiento, todas las pruebas de penetración dinámica
pueden correlacionarse teóricamente entre sí. Más
concretamente, cualquier recuento de soplos LPT (NLPT) puede
correlacionarse con un recuento de soplos SPT (NSPT)
2003 NRC Canadá
Daniel et al.
siempre que las resistencias de penetración ENTHRU y
relativa del muestreador sean
conocidos. Las resistencias de penetración relativas pueden
cuantificarse mediante los valores adecuados de Ru, que son
muy similares
75
Refiriéndose a la ecuación [1], la relación de las
resistencias de penetración cuasiestática F puede
determinarse enteramente a partir de la geometría de los
muestreadores de cuchara dividida si se supone que el peso
unitario de flotación de las varillas es despreciable; y pueden
utilizarse los mismos valores de CPT qc y Rf para el SPT y el
LPT (es decir, sin efectos de escala).
La ecuación [9] se reduce entonces a
[10] (N60)SPT (ENTHRU)LPT( ATE)SPT
(NERS )LPT
(ENTHRU)SPT( ATE)LPT
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Can. Geotech. J. Vol. 40, 2003
Tabla 3. Aplicación del método de correlación propuesto a cuatro tipos de TPL.
Prue
ba
SPT
NALPT
JLPT
Burmister LPT
ILPT
AT,
cm2
(in.2 )
AF,
cm2
(in.2 )
ATE,a
cm2 (in.2
)
ERr
(%)
ENTHRU,
kJ (ft-kip)
(N60 )SPT
(N60 )LPT
10.71
(1.66)
16.39
(2.54)
22.32
(3.46)
23.15
(3.59)
76.19
(11.81)
820.6
(127.2)
1313.5
(203.6)
1191.6
(184.7)
1595.4
(247.3)
2286.4
(354.4)
13.58
(2.10)
20.99
(3.26)
26.49
(4.11)
28.73
(4.45)
84.19
(13.05)
60
0.285
(0.210)
0.610
(0.450)
0.883
(0.649)
0.339
(0.250)
1.678
(1.237)
na
Nota: nd indica que los datos no son aplicables.
a
Se supone que C1 = C2 = 1,0, Rf = 0,35%.
donde el área efectiva de rodamiento del muestreador (ATE)
se define por
ATE C1 AT C2 (ID OD)LRf
[11]
C1 AT C2 AF Rf
La ecuación [10] muestra que el factor de correlación LPTSPT (NSPT/NLPT) es una función sólo de la energía
transferida en las barras de perforación, ENTHRU, y el área
de rodamiento del muestreador, ATE. Por lo tanto, dados los
ENTHRU y ATE de cualquier sistema LPT, el NLPT puede
correlacionarse teóricamente con el NSPT mediante esta
sencilla relación. Al igual que en los análisis de la ecuación
de onda, se debe utilizar una profundidad de empotramiento
del muestreador L de 305 mm ( ) para calcular la ATE. A
diferencia del análisis de la ecuación de ondas, para calcular
la ATE debe utilizarse el diámetro interior de la zapata
abierta, ya que la mayor parte de las fuerzas de fricción
internas se generarán en la zapata. La tabla 3 resume los
valores calculados de AT, área de fricción del muestreador
(AF) y ATE, suponiendo que C1 = C2 = 1,0, y los factores de
correlación predichos a partir de la ecuación [10] para el
NALPT, el JLPT y el ILPT. Se ha asumido un Rf de 0,35%
como valor típico para los depósitos granulares. Debido a que
la base de datos disponible es muy limitada, también se ha
calculado el factor de correlación para el LPT de Burmister,
asumiendo una relación de energía de la varilla del 60%.
El factor de correlación ILPT-SPT previsto de 0,95 está en
El factor de correlación JLPT-SPT predicho de 1,58 está
también en buena concordancia con los valores observados en
la cámara de calibración de 1,5 y 2,0 para arenas y "gravas",
respectivamente. El factor de correlación JLPT-SPT previsto
de 1,58 también está en buena concordancia con los valores
observados en la cámara de calibración de 1,5 y 2,0 para
arenas y "gravas", respectivamente. El factor de correlación
Burmister LPT-SPT predicho de 0,56 está en buena
concordancia con el valor observado de 0,42. Los autores
llevaron a cabo un programa de búsqueda en el campo para
seguir investigando la idoneidad del método de correlación
descrito anteriormente.
60
60
60
60
1.38
1.58
0.56
0.95
fue bien caracterizado durante el Experimento Canadiense de
Licuefacción (CANLEX) y durante los esfuerzos posteriores
de investigación de la UBC (por ejemplo, Howie et al. 1999;
Daniel et al. 1999). Para el presente estudio, se realizaron
cuatro pozos de prueba de lodo-rotación y una prueba de
penetración de piezocono (CPTU) hasta aproximadamente 20
m de profundidad en una zona de di
Verificación sobre el terreno
La perforación y las pruebas in situ se llevaron a cabo en
un sitio de arena llamado "Kidd2" en el delta del río Fraser,
cerca de Vancouver, BC, Canadá (Daniel 2000). Este lugar
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Daniel et al.
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Fig. 7. Vista en planta de la disposición de los pozos de prueba, sitio
Kidd2.
mond pattern (Fig. 7). Los SPT se realizaron en dos de los
pozos de prueba (9901 y 9904) y los NALPT en los otros
dos (9902 y 9903). La estratigrafía del yacimiento constaba
de aproximadamente
4 m de limo arcilloso, subyacente por arena y arena limosa a
más de 20 m de profundidad, como muestran los datos del
CPTU en la Fig. 8. También se muestran en la Fig. 8 cuatro
perfiles de tensión de punta corregida por CPTU (qt)
registrados en Kidd2 durante el estudio CANLEX para
ilustrar el grado relativamente bajo de variabilidad lateral en
el sitio. El tamaño de grano medio de las muestras de arena
recuperadas durante la presente investigación osciló entre
0,19 y 0,56 mm (Fig. 9). Además de las pruebas de
penetración dinámicas en los cuatro pozos de prueba de
lodo, se realizaron pruebas de penetración cuasistáticas con
muestreadores SPT y LPT, similares a las realizadas por
Schmertmann (1979).
Pruebas cuasiestáticas
Las pruebas de penetración cuasistática de los
muestreadores SPT y NALPT se llevaron a cabo a
profundidades de prueba seleccionadas utilizando un ariete
hidráulico de caudal constante calibrado a una velocidad de
penetración de 2 cm/s. La fuerza axial en las barras de
perforación se controló mediante galgas extensométricas
piezorresistentes fijadas a una de las barras. La tensión de
salida de las galgas extensométricas se registró en función
del tiempo utilizando un gráfico de bandas y se transformó
en fuerza utilizando factores de calibración lineal
determinados bajo condiciones controladas de laboratorio.
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Fig. 8. Datos de la prueba de penetración de cono, sitio Kidd2.
condiciones. La figura 10 muestra un gráfico típico de tensión
frente al tiempo registrado durante la penetración cuasistática
del muestreador SPT en la arena. La figura 11 compara la
fuerza total aplicada (es decir, la fuerza axial medida más el
peso de la varilla) registrada a 305 mm (12 pulgadas) de
penetración del muestreador con las fuerzas predichas
utilizando los datos medidos de CPTU como entrada para la
ecuación [1]. Si se tiene en cuenta que los valores de C1 y C2
son iguales a un único valor C, la relación de mejor ajuste
mostrada en la Fig. 11 indica que el valor real de C es de
aproximadamente 1,4 para los muestreadores SPT y NALPT.
Sin embargo, el método de correlación propuesto no cambia
porque C aparece tanto en el numerador como en el
denominador de la ecuación [10].
correspondientes fueron del 65 y 78,5% de las energías
potenciales del martillo para el SPT y el NALPT,
respectivamente. La ENTHRU se midió para cada golpe
de martillo utilizando un sistema propio de monitorización
dinámica de la energía (DEM).
Pruebas dinámicas
Los SPT y los NALPT se realizaron a intervalos de 1,5 m
de profundidad. El muestreador NALPT utilizado tenía las
dimensiones indicadas en la Tabla 1. Se utilizó un martillo de
seguridad de 1460 N (328 lb) con una altura de caída de 762
mm (30 in.), lo que supuso una energía potencial del martillo
de 1115 J (820 ft-lb). La energía cinética del martillo se midió
utilizando un sistema de radar comercial que registra la
velocidad en función del tiempo, como se muestra en la Fig.
12. Las velocidades medias de impacto del martillo fueron de
3,14 y 3,42 m/s (10,3 y 11,24 pies/s) para el SPT y el
NALPT, respectivamente. Las energías cinéticas del martillo
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Daniel et al.
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Fig. 9. Curvas de distribución granulométrica de las muestras de arena
recogidas en el emplazamiento de Kidd2.
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Fig. 10. Registro típico de la fuerza axial en las varillas durante la penetración cuasistática de un muestreador SPT en la arena, sitio Kidd2.
Fig. 11. Comparación de las fuerzas medidas y predichas
necesarias para la penetración cuasistática de los muestreadores
SPT y NALPT incrustados 0,3 m (12 pulgadas) en la arena.
t. El MDE estaba compuesto por un ordenador personal, un
equipo de procesamiento de señales y una barra de
perforación equipada con cuatro galgas extensométricas y un
acelerómetro de alta capacidad. Los datos registrados con el
MDE se utilizaron para calcular la ENTHRU mediante los
métodos F2 y FV. Los recuentos de golpes SPT y NALPT se
corrigieron al 60% de las energías potenciales de los martillos
enumeradas en la Tabla 1 utilizando las ecuaciones [3] y [4].
[3] y [4]. De esta manera, se desarrolló un conjunto de datos
que consistía en dos recuentos de golpes corregidos por
energía SPT y NALPT en cada profundidad de prueba. No se
aplicaron correcciones de sobrecarga porque los recuentos de
golpes a comparar se obtuvieron a las mismas profundidades.
La resistencia de la punta corregida por la CPTU (qt) y los
recuentos de golpes SPT y NALPT corregidos por la energía
se representan en función de la profundidad en la Fig. 13, y
los recuentos SPT y
Los recuentos de golpes NALPT se comparan directamente en
la Fig. 14. El factor de correlación observado
[(N60)SPT/(N60)NALPT] es de 1,29,
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Daniel et al.
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Fig. 12. Registro típico de la velocidad de caída del martillo SPT
medido con el sistema de radar, sitio Kidd2.
que coincide con el factor de correlación previsto de 1,38.
Discusión
El cuadro 4 resume los factores de correlación observados
y previstos. Nótese que Crova et al. (1993) aplicaron factores
de corrección de sobrecarga a los recuentos de soplos SPT e
ILPT registrados. Dado que los factores de correlación se
determinaron comparando los recuentos de golpes que se
registraron a la misma profundidad, son independientes de
las correcciones de sobrecarga.
Conceptualmente, los factores de correlación predichos
deberían compararse con los observados para las arenas, que
deberían estar libres de efectos de tamaño de grano. Las
correlaciones observadas en la arena y las correlaciones
predichas se representan en la Fig. 15 frente a la relación
entre ENTHRU y ATE (nótese que la ecuación [10] está
representada por una sola línea en este gráfico). Los factores
de correlación Burmister LPT, ILPT, NALPT y JLPT
observados son 75, 120, 93 y 95% de los valores predichos,
respectivamente. Esta concordancia es probablemente
cercana al nivel de precisión de las correlaciones observadas
porque factores como la variabilidad natural del lugar (Fig.
8) y, en los casos del JLPT y el Burmister LPT
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Fig. 13. Resistencia de la punta de la CPTU y recuento de golpes SPT y NALPT corregidos por energía, sitio Kidd2.
Fig. 14. Comparación de los recuentos de golpes corregidos por
energía de SPT y NALPT registrados en la arena, sitio Kidd2.
recuentos de soplos
estudios, la falta de corrección energética aumenta el nivel
general de incertidumbre.
El cuadro 4 también presenta los factores de correlación
que se obtuvieron en las gravas. En general, se cree que los
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Daniel et al.
83
para un sistema de prueba y una densidad de suelo dados
aumentará con el tamaño de grano creciente y que, para
una grava dada, los recuentos de golpes SPT estarán
sujetos a efectos de tamaño de grano más severos que los
recuentos de golpes LPT. Por lo tanto, se anticiparía que
la relación entre los recuentos de golpes SPT y LPT
tendería a aumentar con el aumento del tamaño del grano,
como muestran las correlaciones JLPT. Sin embargo, el
aumento del factor de correlación JLPT observado (de 1,5
a 2,0) es grande en comparación con la gama de tipos de
suelo analizados (arena fina a gruesa), y el aumento
observado puede deberse en parte a las incertidumbres
asociadas a la falta de corrección de la energía o al uso de
muestras de la cámara de calibración no envejecidas. Por
el contrario, los resultados del estudio bien controlado de
ILPT muestran la respuesta opuesta y contraintuitiva.
Esta contradicción no ha sido explicada en la literatura
hasta la fecha y es uno de los componentes de una
investigación en curso de la UBC.
Conclusiones
Se han resumido los datos de LPT de la literatura y se
ha presentado un método fundamental para predecir los
factores de correlación LPT-SPT para cualquier tipo de
LPT. En este trabajo se demuestra que el método
propuesto es fácil de aplicar y que relaciona de forma
única el factor de correlación LPT-SPT con la energía
transferida y el área de apoyo del muestreador del LPT
considerado. Se llevó a cabo una investigación de campo
NALPT cuidadosamente controlada para comprobar los
supuestos del método propuesto y para ampliar la base de
datos LPT existente. Las comparaciones de los factores
de correlación de la literatura y de la investigación de
campo NALPT con los predichos
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Can. Geotech. J. Vol. 40, 2003
Tabla 4. Resumen de los factores de correlación observados y previstos.
Observado
Predicción
a
Prueba
NALPTb
JLPTc
Ubicación
Kidd2
Cámara de calibración
Burmister LPTc
ILPTb
NA
Messina, Italia
Tipo de suelo
Arena
Arena fina
Arena media a gruesa
Arena y limo
Arena
Arena y grava
Arena y grava
Nota: - indica que los datos no están
disponibles. aEcuación [10] de este
documento. bNSPT /NLPT corregido a
ERr = 60%.
c
El investigador no ha indicado explícitamente ninguna corrección
energética.
NSPT
(N60 )SPT
D50 (mm)
NLPT
(N60 )LPT
0.19-0.56
0.34
1.13-2.28
0.2-0.6
1-5
1-15
1.29
1.5
2.0
0.42
1.14
1.02
0.89
1.38
1.58
0.56
0.95
seguir verificando la metodología propuesta. Estos datos deben
ser recogidos tanto en sitios de arena como de grava utilizando
una gama de muestreadores de cuchara dividida
Fig. 15. Comparación de los factores de correlación predichos con
los obtenidos en los sitios de arena.
utilizando el método de correlación propuesto arrojó
resultados alentadores. Se necesitan datos adicionales para
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Daniel et al.
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y martillos (es decir, tantos tipos de LPT como sea posible).
Es de vital importancia que se controle la energía de
penetración, y que todos los recuentos de golpes se corrijan a
una energía estándar apropiada para el LPT con el que se han
realizado. Se sugiere que todos los recuentos de golpes SPT
y LPT se normalicen al 60% de la energía potencial del
martillo utilizado para la prueba. Los autores consideran que
el método de correlación propuesto será útil como marco
lógico para la comparación de los datos del LPT recogidos
en todo el mundo.
Agradecimientos
Los autores se complacen en agradecer el apoyo
financiero del Consejo de Investigación de Ciencias
Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC) y del Killam
Trusts. El tiempo de perforación para la investigación de
Kidd2 fue donado por Foundex Explorations Ltd. de Surrey,
BC. El acceso al lugar fue facilitado por la British Columbia
Hydro and Power Authority (BC Hydro). Klohn-Crippen
Consultants Ltd. de Richmond, BC, proporcionó tanto el
equipo como la experiencia. Scott Jackson y Harald
Schrempp, del Departamento de Ingeniería Civil de la UBC,
prestaron apoyo técnico dentro y fuera del emplazamiento.
Ali Amini, Patrick Koerner, Kevin Payne, Rashmi Pishe y
Brian Walker colaboraron durante el programa de campo de
Kidd2.
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Lista de símbolos
Área de fricción del muestreador de cuchara dividida AF
Área de apoyo de la punta del muestreador de cuchara dividida
Área de rodamiento del muestreador efectivo ATE
C factor de correlación generalizado SPT-CPT
C1 Factor de correlación SPT-CPT del rodamiento final
C2 Factor de correlación de fricción
SPT-CPT Prueba de penetración de cono
CPT
Prueba de penetración de piezocono CPTU
D50 tamaño medio del grano
D componente dinámico de la resistencia
del suelo DCPT prueba de penetración
dinámica de cono
DEM sistema de control dinámico de la
energía ENTHRU energía de las olas de
tensión
Relación de energía de la varilla ERr
Relación de energía estándar seleccionada ERS
fs Tensión del manguito de fricción CPT o CPTU
Fuerza F necesaria para la penetración cuasi-estática de un
muestreador de cuchara partida
F2 método de medición de energía fuerzacuadrado FV método de medición de energía
fuerza-velocidad H altura de caída del martillo
ID diámetro interior del muestreador de
cuchara dividida ILPT prueba de gran
penetración italiana
Factor de amortiguación J Smith
JLPT Prueba de gran penetración en Japón
Profundidad de empotramiento L del muestreador de cuchara
dividida
N recuento de soplos
Recuento de soplos N60 normalizado al 60% de energía
(N1)60 número de soplos normalizados con una relación de
energía del 60% y una presión de sobrecarga efectiva de
100 kPa
S
NER recuento de soplos normalizado a la relación de energía
estándar seleccionada (ERS)
NALPT Prueba de gran penetración en América del Norte
Diámetro exterior del muestreador de cuchara dividida OD
q terremoto en el suelo
qc Resistencia de punta CPT o
CPTU qt Resistencia de punta
corregida CPTU Rf Relación de
fricción CPT
Ru resistencia estática última del suelo
S componente estático de la resistencia
del suelo SPT prueba de penetración
estándar
U2 presión del agua de los poros medida detrás de la punta del
cono durante la CPTU
Velocidad V
W peso flotante de las barras de perforación
W peso del martillo
AT
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