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Determinación de la estratigrafía del suelo utilizando el ensayo
de penetración cónica en depósitos sedimentarios del NEA
Bosch, Dante R. - Sotelo, Rubén R.
Centro de Geociencias Aplicadas - Facultad de Ingeniería - UNNE.
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ANTECEDENTES
Ensayo de Penetración Cónica – CPT
El Ensayo de penetración cónica (CPT - Cone Penetration Test) consiste en introducir en el suelo una pieza de forma
cónica vinculada a una célula de carga que mide en forma continua la resistencia del suelo a la penetración de la puntera
cónica (qc). También mide en forma simultánea la resistencia a la fricción lateral (fs) que ofrece el suelo al paso de una
pieza cilíndrica ubicada inmediatamente arriba de la punta cónica (Figura 1.a).
La técnica de hincar barras en el suelo con fines geotécnicos es una práctica muy antigua, utilizada en sus comienzos en
suelos blandos para localizar la profundidad de un estrato firme. Las primeras versiones de este sondeo fueron
desarrolladas en Suecia en 1917 y consistía en hincar una puntera helicoidal, en parte por carga estática y en parte por
rotación. El ensayo de CPT como hoy se conoce pero con puntera mecánica, comenzó a ser utilizado en Holanda en
1934 para evaluar la capacidad de carga de pilotes hincadas. Posteriormente, en la década del 60, surge el CPT eléctrico
en el cual la resistencia de punta (qc) y la fricción lateral (fs) son medidos eléctricamente a través de dos células de carga
montadas con “strains gauges”.
Desde sus inicios, este ensayo comenzó a ser utilizado como herramienta normal en las investigaciones geotécnicas de
campo, como lo expresa Wroth (1984), especialmente para establecer rápida y económicamente el perfil del subsuelo.
Según Meigh (1987) el CPT tiene tres aplicaciones principales: 1) determinar el perfil del subsuelo e identificar el tipo
de suelo presente, 2) interpolar las condiciones del subsuelo entre sondeos de control, y 3) evaluar parámetros
geotécnicos para estimar capacidad de carga y asentamientos. La identificación del tipo de suelo será tratado en este
trabajo. La determinación de parámetros geotécnicos se realiza mediante el uso de correlaciones empíricas.
Alternativamente, métodos directos, sin la determinación previa de parámetros, son utilizados para estimar capacidad de
carga y asentamientos. Además de estas aplicaciones, ya rutinarias en la práctica geotécnica, en los últimos años se lo
comenzó a emplear en estudios ambientales para determinar la composición y distribución de contaminantes en el suelo
(Lunne y otros, 1997).
Identificación del tipo de suelo utilizando el ensayo de penetración cónica
Uno de los principales usos que tiene el CPT, es el de identificar el perfil del suelo. Esto puede lograrse con un grado de
detalle mucho mayor que el alcanzado a partir de sondeos convencionales, debido a que el resultado obtenido es un
perfil continuo de las propiedades del subsuelo.
Diversos investigadores han propuesto identificar el tipo de suelo en función de la resistencia de punta (qc) y la relación
de fricción (Rf = fs / qc), para lo cual propusieron utilizar gráficos o tablas de clasificación basadas en correlaciones
empíricas (e.g. Begemann, 1963; Schmertmann, 1969; Searle, 1979; Douglas y Olsen, 1981; Robertson y otros 1986).
Estas clasificaciones se basan en tempranas observaciones realizadas en Holanda, las cuales indicaban que suelos
arenosos tienden a producir alta resistencia de punta y baja relación de fricción, mientras que suelos arcillosos blandos
tienden a producir baja resistencia de punta y alta relación de fricción.
En este sentido, estudios utilizando el ensayo de CPT mecánico fueron iniciados por Begemann (1965) y continuados
posteriormente por Schmertmann (1969). Searle (1979), incorporó los resultados de un gran número de ensayos
proponiendo un gráfico de clasificación en función de las magnitudes de (qc) y (Rf) utilizando el CPT mecánico. Para el
caso de punteras eléctricas de geometría normalizada, Douglas y Olsen (1981) propusieron un gráfico cuyas
correlaciones se basan en un gran número de resultados de ensayos del Este de Estados Unidos. Posteriormente, y
basados en una base de datos expandida, Robertson y otros (1986) presentaron un gráficos de clasificación de suelos
que es ampliamente utilizado en la actualidad, el cual se reproduce en la Figura 1.
Meigh (1987), resalta la necesidad de continuar profundizando el estudio de la identificación de suelos mediante el
empleo del CPT a través de la comparación de los resultados obtenidos con la identificación directa en un sondeo
testigo. Enfatiza aún que experiencias locales podrían diferir de los estudios ya realizados en otros sitios.
La experiencia local respecto al uso del CPT puede decirse que es muy reciente, ya que el mismo fue incorporado a
mediado de los años 90. Sin embargo, su utilización continua y sistemática en estudios geotécnicos hace que hoy se
cuente con una base de datos lo suficientemente grande como para verificar la aplicación de correlaciones
internacionales a los suelos locales.
a)
b)
fs
fs
qc
ZONA
1
2
3
4
5
6
TIPO DE SUELO
Suelo fino sensitivo
Material orgánico
Arcilla
Arcilla limosa a arcilla
Limo arcillosos a arcilla limosa
Limo arenoso a limo arcilloso
ZONA
7
8
9
10
11
12
TIPO DE SUELO
Arena limosa a limo arenoso
Arena a arena limosa
Arena
Arena gravosa a arena
Suelo fino muy rígido
Arena a arena arcillosa
Figura 1: Gráfico para la identificación de suelos propuesto por Robertson y otros (1986).
MATERIALES Y METODOS
El objetivo del presente trabajo es el de verificar la aplicación del método de identificación de suelos propuesto por
Robertson y otros (1986) a suelos sedimentarios del NEA. Con este objetivo se analizaron una basta serie de ensayos de
CPT ejecutados en distintos puntos de las provincia del Chaco y Corrientes.
En los ensayos se utilizó un equipamiento estándar de acuerdo a las indicaciones dadas por la ISSMFE (International
Society Soil Mechanics and Foundation Engineering) en 1977. Asimismo, los procedimientos de ensayos siguieron las
recomendaciones de la Norma ASTM D3441-86 y de la Norma Brasileña MB-3406.
El equipo utilizado consta fundamentalmente de una punta eléctrica normalizada (tipo R), un sistema electrónico de
adquisición de datos y un sistema de empuje de accionamiento hidráulico con una capacidad de 18 ton (Figura 2).
Los ensayos de penetración cónica permitieron obtener un perfil continuo de las propiedades del suelo hasta
profundidades variables, registrándose valores de resistencia de punta (qc) y fricción lateral (fs) desde la superficie del
terreno y a intervalos de 5 cm.
En todos los casos, los ensayos de CPT fueron comparados con sondeos testigos de los cuales se extrajeron muestras
que fueron clasificadas en laboratorio.
RESULTADOS OBTENIDOS
Un resultado típico de los ensayos analizados se presenta en en la Figura 3. En los tres primeros gráficos de esta Figura
se representan, en función de la profundidad, la resistencia de punta (qc), la fricción lateral (fs) y la relación de fricción
(Rf). El gráfico que se encuentra a la derecha de Rf representa el tipo de suelo que resulta de utilizar la carta de
clasificación de Robertson y otros (1986). Puede observarse el alto grado de detalle obtenido en la estratigrafía del
subsuelo. Finalmente, en el extremo derecho se colocó la estratigrafía del suelo obtenida en el sondeo testigo ejecutado
en proximidades del anterior y con el cual se compararon los resultados del CPT.
En la Figura 4 se representó en abscisas el tipo de suelo según la clasificación dada por el ensayo de CPT de acuerdo a
la carta de Robertson y otros (1986), y en ordenadas el tipo de suelo aplicando el S.U.C.S. (Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos) para muestras de igual profundidad extraídas del sondeo testigo. Sobre el cien por ciento de
muestras que pertenecen a un determinado tipo de suelo según el CPT, el tamaño de los círculos representa el
porcentaje de resultados que pertenecen a un determinado tipo de suelo según el S.U.C.S. Así por ejemplo, para el
tipo 3 según el CPT (Arcilla) existe un 65 % de muestras que clasificaron como CH y un 15 % que clasificaron como
CL. La cantidad de datos analizados en la Figura 4 fue de 69.
VISTA FRONTAL
VISTA LATERAL
Figura 2: Esquema general del equipo de CPT utilizado en los ensayos del presente estudio.
ENSAYO ELÉCTRICO DE PENETRACIÓN CÓNICA - CPT
Resistencia de Punta
qc [kg/cm2]
0
0
50
100
150
200
250 0.0
Tipo de Suelo (según CPT)
Fricción Lateral
Relación de Fricción
fs [kg/cm2]
Rf [%]
0.5
1.0
0
5
10
PERFIL DE
SUELO
(Según el S.U.C.S.)
Fuente: SPT
Suelo Orgánico
1
Prof.: 1,00 a 3,50 m
Arcilla de baja plasticidad
2
CL
3
4
Prof.: 3,50 a 6,50 m
Limo de baja plasticidad
5
ML
6
Profundidad [m]
7
Prof.: 6,50 a 15,50 m
Arena Limosa
8
SM
9
10
11
12
13
14
15
Prof.: 15,50 a 16,50 m
Arena Mal Graduada
16
SP
17
18
Figura 3: Resultado típico de un ensayo de CPT. Comparación entre la clasificación de suelos
que surge del CPT y la obtenido en un sondeo testigo de SPT.
CONCLUSIONES
1) En todos los casos analizados, se encontró una buena concordancia entre la estratigrafía del tipo de suelo obtenida a
partir del ensayo de CPT y la obtenida en los sondeos testigo.
2) Los ensayos de CPT permitieron obtener un grado de detalle mucho mayo de la estratigrafía del subsuelo que los
ensayos de SPT, posibilitando identificar pequeños mantos con diferentes tipos de suelo.
3) Si bien el universo de datos analizado (69 muestras) no es de gran magnitud y debe ser ampliado, la Figura 4 indica
en forma preliminar que para los suelos de la región existe una buena correlación entre la carta de clasificación de
Robertson y otros (1986) y el tradicional S.U.C.S.
ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN
12
11
10
ARENA MAL GRADUADA (SP)
CLASIFICACIÓN SEGÚN EL S.U.C.S.
9
8
ARENA ARCILLO
LIMOSA (SP-SM)
7
ARENA LIMOSA (SM)
6
LIMO DE BAJA
PLASTICIDAD (ML)
5
ARCILLA LIMOSA DE BAJA
PLASTICIDAD (CL-ML)
4
ARCILLA DE BAJA
PLASTICIDAD (CL)
3
ARCILLA DE ALTA
PLASTICIDAD (CH)
100
50
73
75
35
85
65
83
15
100
50
27
25
17
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
CLASIFICACIÓN SEGÚN ENSAYO DE CPT
Figura 4: Comparación entre la clasificación de suelos obtenida a partir de ensayos de CPT y la obtenida mediante
el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) sobre muestras extraídas en sondeos testigos.
BIBLIOGRAFIA
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING OF MATERIALS. Standard test method for cone penetration testing: D3441-75T.
Annual Book of ASTM Standards V.04.08. New York, 1987.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ensaio de conepenetrometria: MB-3406. Rio de Janeiro, 1981.
BEGEMANN, H.K.S.P. The use of static penetrometer in Holland. New Zealand Engineering, v.18, n.2, p.41-49, Feb. 1963.
DOUGLAS, B.J.; OLSEN, R.S. Soil classification using electric cone penetrometer. In: SESION ON CONE PENETRATION
TESTING AND EXPERIENCE, 1981, St. Luis. Proceedings... N. York: ASCE, 1981. p.209-227.
LUNNE, T; ROBERTSON, P.K.; POWELL, J.J.M. Cone penetration testing in geotechnical practice. 1.ed. London: Blackie
Academic & Profesional, 1997. 312p.
MEIGH, A.C. Cone penetration testing: methods and interpretation. 1.ed. London: Butterworths, 1987. 141p.
ROBERTSON, P.K.; CAMPANELLA, R.G.; GILLESPIE, D.; GREIG, J. Use of piezometer cone data. In: ASCE SPECIALTY
CONFERENCE IN SITU ’86: USE OF IN SITU TEST IN GEOTECHNICAL ENGINEERING, 1986, Blacksburg.
Proceedings... American Society of Engineering (ASCE), 1986. p.1263-80.
SCHMERTMAN, J.H. Dutch friction-cone penetration exploration of research area at field 5. Vicksbug, Mississippi. U.S. Army
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SEARLE, I.W. The interpretation of Begemann friction jacket cone results to give soil types and design parameters. In: EUROPEAN
CONFERENCE ON SOIL MECHANICS AND FOUNDATION ENGINEERING, 7., 1979, Brighton. Proceedings...
Rotterdam: A.A.Balkema, 1979. v.2, p.265-270.
WROTH, C.P. The interpretation of in situ soil test. Géotechnique, London, v.34, n.4, p.449-489, Dec. 1984.