Primera máquina de penetración estática “cono holandés” (Laboratorio de Mecánica de Suelos de Delf, Países Bajos 1935)
Ensayos de cono de penetración estático (CPTu):
De acuerdo a las publicaciones técnicas, esta práctica se creó para investigar suelos blandos y se le conoce también como «prueba del cono holandés”. El primer cono para auscultar suelos fue desarrollado en Holanda en 1932, por P. Barentsen (Netherlands Department of Public Works), consistía en un dispositivo mecánico que utilizaba un manómetro para leer las cargas, con un juego de pares de varillas internas y externas empujadas en intervalos de 20 cm. El primer cono con una capacidad de empuje de 10 t fue construido por T. K. Huizinga, quien fue el primer director del Laboratorio de Mecánica de Suelos de Delft, Holanda. Si bien el cono holandés tuvo mucha aceptación en estudios de suelos finos en Europa desde alrededor de 1950, éste no adquirió notoriedad en América hasta mediados de los años 70. Dentro de los ensayos de investigación del sustrato in situ se encuentra:
Con un registro detallado de la resistencia del cono, este ensayo permite realizar una adecuada caracterización de un perfil de suelo ya que es un método que permite conocer el comportamiento en sus condiciones in situ, analizando la estratigrafía del sitio, la homogeneidad, la profundidad de las capas firmes, los huecos o cavidades y otras discontinuidades.
El ensayo CPTU, por su sigla en inglés cone penetration test, la que se acompaña con la letra U ya que mide la presión de poros, es un ensayo estandarizado por las Normas ASTM D5778 Standard Test Method for Electronic Friction Cone and Piezocone Penetration Testing of Soils.
Entre las ventajas de los sondeos tipo CPTu, es que no se generan recortes ni desechos, los datos no dependen del operador toda vez que el registro es automático, simultáneo para todos los parámetros y en tiempo real. Esto último cobra valor al momento de instalar instrumentos con la propia máquina CPTu. Presenta además la ventaja de una menor perturbación del suelo y condiciones de trabajo de muy bajo riesgo para los operadores. Otra ventaja está dada por la fuerte interpretación teórica del ensayo.
El procedimiento es relativamente rápido, no precisa de una perforación previa (direct push) y consiste en la penetración de un piezocono con transductores electrónicos desde el nivel de terreno natural en el suelo a una velocidad constante (2cm/s). Estos datos captados por un datalogger, permiten una adecuada caracterización de un perfil de suelo con una descripción del perfil estratigráfico, y variables del comportamiento mecánico del sustrato que derivan en la obtención de diferentes parámetros geotécnicos del suelo.
Así, se puede registrar la resistencia de punta durante toda la carrera de la penetración y para determinar la resistencia a la fricción de un manguito cilíndrico ubicado detrás de la punta cónica a medida que avanza a través del suelo subterráneo a un ritmo constante (celdas de carga independientes). Dependiendo de los sensores adicionales, se puede determinar la verticalidad de la penetración con inclinómetros, ensayos sísmicos (acelerómetro y geófono), de resistividad, conductividad eléctrica, dieléctricos y de temperatura.
Los usos de este ensayo se han visto en la determinación de la densidad relativa, la presión de poros en profundidad, el estudio de la licuefacción de suelos de fundación, condiciones de los depósitos de colas e instalación de instrumentos de auscultación.
En particular la instalación de instrumentos de monitoreo, en estructuras a auscultar como depósitos de colas, resulta propicio con datos como resistencia del estrato, presión de poros y su disipación, que facilitan la inmediata decisión de dónde resulta útil medir. Por esto, permite la instalación en el momento de un instrumento tipo push in con instrumentos de cuerda vibrante, piezómetros (3,5 bar a 35 bar), dilatómetros y presurómetros entre otros.
En cuanto a sus desventajas pueden mencionarse el alto costo inicial, la limitación por la tipología de suelos a ensayar, toda vez que en presencia de ciertos tamaños de grava se dificulta el proceso, o bien suelos finos muy compactos y cementados Actualmente, con equipos modernos de mayor empuje y conos más robustos, se puede realizar el ensayo en suelos rígidos a muy rígidos y, en algunos casos. Por otro lado, se necesita de un silencio ambiental para evitar los ruidos en los registros y la interpretación debe ser realizada por profesionales capacitados, tampoco es posible obtener muestras de suelo, sin la ayuda de un sacamuestra adaptado en un pozo adicional.
Usos del ensayo CPTu
- Determinación de la resistencia al avance (estratigrafía)
- medición de las presiones de poro en forma continua
- ensayos de disipación de presiones de poros
- ensayos para medición de ondas de corte (downhole)
- instalación de los instrumentos tipo “push in”
Por intermedio de estos Se puede inferir además por medio de relacione empíricas el ratio de consolidación y la permeabilidad en el tiempo y la identificación preliminar de los suelos atravesados “Soil Behavior Type” que es la clasificación por comportamiento según Robertson y Campanella (UBC,1983).
Uno de los datos importantes a tener en cuenta es el peso de la máquina, en general no superan las 25 t, y más importante aún es el sistema de anclaje al terreno, lo que otorga la capacidad real de penetración en el suelo. Este anclaje puede estar conformado por insertos como helicoides que permite la reacción para la hinca estática de las barras de sondeo y como mínimo duplican la capacidad de reacción respecto al propio peso del equipo.
Mediante el sistema utilizado de adquisición de datos y la emisión de la sonda (piezocono electrónico), se registran en general y dependiendo de los transductores cada un avance determinado y fijo (»2 cm) en profundidad datos de valores:
- Qc (presión de punta)
- Fs (tensión de fricción en camisa)
- Pw (presión de poros dinámica, y estática)
- T (Tiempo)
- Profundidad
- Inclinación de la sonda
- Temperatura
Un registro tipo puede verse en la Figura siguiente
La resistencia del cono medida (qc) debe corregirse para las presiones de agua intersticial que actúan sobre áreas desiguales de la punta del cono. Esta corrección es más importante para arcillas y limos blandos a firmes a rígidos y para sondeos muy profundos donde existen altas presiones hidrostáticas. La resistencia corregida está dada por CPT in Geotechnical Practice (Lunne, et al. 1997)
