Figura 2. Conos eléctricos modernos (GEOMIL, 2021).

Algunos conos registran parámetros de control adicionales como la inclinación y temperatura (Figura 2). Mientras que otros incluyen geófonos para realizar un ensaye similar al de excitación en la superficie y medición en un pozo (down-hole).

El cono permite la definición continua del perfil de resistencia a intervalos de 5 cm o menores, por lo que genera un perfil estratigráfico de muy alta resolución.

Si bien la interpretación de los resultados es posible bajo teorías aceptadas en la Mecánica de Suelos, es más común el uso de correlaciones empíricas con la resistencia en la punta. La resistencia en el fuste se usa junto con el exceso de la presión de poro para corregir la resistencia en la punta debido a que ambas producen correlaciones infructuosas.

Aunque existen un sinnúmero de correlaciones que intentan estimar casi cualquier parámetro del suelo, sólo se deben usar aquellas que se relacionen directamente con las mediciones del cono.

Además, cuando se usan correlaciones obtenidas en suelos sujetos a subsidencia, se debe considerar la variación de las propiedades con el tiempo (Jaime & Méndez, 2002; Ovando, et al., 2007).
Por su parte, la comparación del exceso de presión de poro del cono con el perfil de presión de poro obtenido por otros medios permite identificar si el material es contractivo o dilatante.

Además, en depósitos de suelo con presiones fuertemente abatidas, la nulidad del exceso de presión indica la profundidad en la que el abatimiento es total.

Los factores que influyen de manera determinante en los resultados de la prueba son:

(1) la fluctuación en la velocidad de penetración; y (2) las características de los dispositivos de medición (Jaime & Jasso, 1991).

El primer factor se relaciona con que los materiales duros requieren mayor presión que los blandos, por lo que la velocidad disminuye al atravesarlos y, en consecuencia, la resistencia medida se abate hasta en un 10% (de Ruiter, 1981). El segundo factor responde a que la medición de resistencia puede variar por ± 50 kPa, debido a que el comportamiento de la celda de medición es diferente al elástico – lineal y la calibración se hace con valores medios. Esto último es de suma importancia en ensayes de cono realizados en suelos muy blandos (Jaime & Jasso, 1991).

Las principales ventajas del CPT son: que proporciona un perfil de resistencia continuo que permite identificar los suelos atravesados; sus resultados son independientes del operador en sistemas automáticos y el entrenamiento del primero es simple para los sistemas manuales; es un ensaye económico debido a la rapidez con la que se realiza; su interpretación se sustenta en teorías bien establecidas (Robertson & Cabal, 2014).

En contraste, algunas desventajas del CPT son que: se carece de muestras; requiere una inversión de capital importante; se necesitan operadores calificados; la penetración debe suspenderse en gravas o suelos cementados; requieren una plataforma estable para el hincado; está expuesto a errores de calibración y las celdas a efectos ambientales; es posible que las barras se curven al atravesar suelos duros.

2.5.3 Ensaye de penetración estándar (SPT)

Es una prueba de penetración dinámica que consiste en la introducción de un barril partido en el fondo de un sondeo abierto mediante la percusión de un martinete.

Durante ésta, se registra el número de golpes necesarios para avanzar 3 tramos de 6 in (15.24 cm) y se recolectan muestras alteradas que permiten la clasificación del suelo. Los golpes en el primer tramo se descartan, pues incluyen la respuesta del azolve en el fondo del sondeo, en tanto que las dos últimas lecturas se suman para integrar el índice de penetración estándar N.

La realización de un cuarto avance es una práctica indeseable, pues además de incumplir con el cometido de recuperar una mayor cantidad de muestra: (1) infringe el estándar internacional y la norma mexicana; (2) altera el suelo por debajo del muestreador; (3) deteriora innecesariamente el equipo de perforación; e (4) incrementa la fatiga del perforista (Jaime & Barrera, 2021). Aunque es común que la prueba se realice de manera continua, es recomendable dejar al menos 75 cm de separación entre pruebas para que evitar que la compactación dinámica inducida en la penetración anterior afecte los resultados de la siguiente (USBR, 1998).

El martinete es una masa metálica rígida, con un peso de 140 lb (63.50 kgf) que se levanta 30 in (76.2 cm) y se deja caer libremente sobre un yunque metálico de manera que el impacto transmita al muestreador una energía estándar y lo hinque. Existen tres tipos de martinete (Figura 3):

 Los cilindros huecos, que usan la barra como guía durante la caída y golpean un yunque colocado en el acople entre dos barras.

 Los de seguridad, en los que el martillo es parte de una funda con retén que recubre al yunque y la barra. De manera que al levantar el martillo hasta el tope se garantiza que la altura de caída sea correcta, se confinan las chispas que salen del impacto, y se previenen accidentes durante la operación.

 Los martinetes automáticos, en los que la carrera del martinete se controla de manera hidráulica. Al estar dentro de una carcasa y adosados a la máquina de perforación, garantizan una eficiencia consistente.

Los martinetes de caída libre deben acompañarse de un sistema de izaje y caída que consiste en un barril giratorio (cat head), alrededor del cual se envuelve un cable de manera que se levanta y deja caer el martillo al apretar y aflojar el cable. Como el número de vueltas alrededor del barril restringe la caída libre del martinete, tiene un efecto importante en el número de golpes. Por otro lado, el tamaño del yunque modifica también la energía transmitida al muestreador, ya que una masa mayor absorbe más energía del impacto.

El muestreador de barril partido se denomina también media caña y se describe con detalle más adelante. Es evidente que usar muestreadores diferentes al estándar perturba los resultados de la prueba y estrictamente requiere corregir las mediciones.

Desgraciadamente, tales correcciones son rara vez realizadas en la práctica.
En nuestro país, este ensaye se encuentra normado en la NMX-C-431-ONNCCE-2002, en los Estados Unidos estandarizado en la ASTM D1586, e internacionalmente en la ISO 22476 pt.3.

Además del suelo ensayado, los resultados de la prueba dependen de las características del dispositivo empleado y la manera en la que se realiza la prueba. Una recopilación de todos estos factores se muestra a continuación:

Factores operacionales:

 Eficiencia del martinete y tamaño del yunque.

 Longitud y peso de las barras, así como deficiencias en sus conexiones.

 Tamaño, forma y tipo de ademe, además de su obstrucción y sobrelavado inferior.

 Tamaño de la perforación y limpieza en el fondo, al igual que el método de perforación.

 Condiciones en el fondo de la abertura.

 Variaciones en la presión de poro.

 Tipo de muestreador, recubrimiento interior y presencia de canastilla.

 Actitud del operador, supervisión inadecuada y realizar la prueba incorrectamente.

Factores inherentes a la prueba:

 Dilatancia del suelo.
 Efecto del confinamiento.
 La naturaleza de N como número entero.
 Diferencia entre la resistencia estática y dinámica de los suelos.
 Influencia de la compactación dinámica inducida por la prueba anterior.
 Saturación de los resultados en suelos con resistencia mayor a los 50 golpes/ft.

Ya que gran parte de las fuentes de error son del tipo operacional, solo personal calificado debe realizar la prueba. Además, junto al N, será necesario registrar información adicional como: el peso del martillo y de las barras; el tipo de muestreador; el clima; la posición del nivel freático; el tipo de maquinaria; el método y diámetro de perforación; y, de usarse, las dimensiones y tipo de ademe.

Los resultados de la prueba se interpretan usando correlaciones empíricas. Al emplearlas, se debe tener cuidado en usar el índice de penetración estándar, corregido o sin corregir, para el que fueron obtenidas. Por ejemplo, todas las correlaciones previas a 1967 fueron establecidas para un N medido en las dos primeras etapas de la prueba, en lugar de los dos últimas (Bowles, 1996). En la literatura, es desafortunadamente común que las correlaciones se presenten sin establecer de manera clara el proceso de corrección por energía, confinamiento o dilatancia.

Por lo anterior, se debe preferir el desarrollo de correlaciones específicas para el sitio estudiado.

La principal ventaja del SPT es que combina los dotes de un ensaye de campo con el muestreo, además de que el equipo necesario para realizarlo es común y económico. Entre sus desventajas se encuentran que: las propiedades mecánicas obtenidas son meras estimaciones; los resultados dependen del procedimiento de la prueba y la presencia de grava o de cementación; es imposible observar grietas o deslizamientos previos en las muestras de suelos finos; y que en arcillas muy blandas la penetración se produce sólo por el peso de la herramienta, impidiendo la estimación de una resistencia.

2.5.4 Penetración dinámica de cono (DCP)

En su versión más antigua, este ensaye consiste en el hincado a percusión de un cono de acero con 60° de ápice y una base más grande que las barras. Lo último para reducir efectos de fricción y medir solo la resistencia en la punta.

El cono posee un orificio por el cual se une a las barras usando un perno. Si este es liso, el cono se pierde al extraer las barras, pero si tiene rosca, se puede intentar la recuperación del cono. Ambos diseños responden a la dificultad en la extracción del cono sin maquinaria pesada.

La prueba se interpreta contando el número de golpes que producen una cierta penetración, a menudo de 10 cm, cuidando que la energía de impacto permanezca constante (Santoyo, 2010).

Entre sus ventajas están que permite obtener resultados en suelos en los que el SPT se suspendería; se efectúa sin un sondeo abierto; se puede realizar rápidamente y sin maquinaria pesada. Sus desventajas son que: se carece de muestras; es inadecuado en suelos blandos o sueltos; se ve afectado por la mayor parte de los factores que afectan al SPT.

El desarrollo más reciente del DCP es el Penetrómetro Dinámico Ligero de Energía Variable (PANDA, por sus siglas en francés). Consiste en el hincado de un cono con cuya área proyectada va de 2 a 10 cm² a través de la percusión manual de un martillo. Se encuentra instrumentado para medir la energía impartida por cada golpe y determinar así la transmitida al suelo. Su interpretación se basa en las teorías de propagación de energía, como la fórmula holandesa. En Francia, se ha estandarizado en la NF P 94-105 y en Chile en la NCh 3261-2012.