Correlación de las Ondas Sísmicas (Vs, Vp) y el Ensayo SPT con Tipos de Suelo y Propiedades Mecánicas: Guía para Profesionales de la Geotecnia

En el campo de la ingeniería geotécnica, la evaluación precisa de las propiedades del suelo es clave para el diseño seguro y eficiente de cimentaciones. Dos métodos ampliamente utilizados para evaluar el subsuelo son las mediciones de la velocidad de ondas sísmicas, como las ondas de corte (Vs) y de compresión (Vp), y el ensayo de penetración estándar (SPT). Este artículo detalla cómo estas pruebas se correlacionan con los tipos de suelo y roca, y cómo pueden ser utilizadas para estimar parámetros críticos como la resistencia no drenada (Su) y el módulo de elasticidad (E), especialmente en suelos arcillosos rígidos o lutitas.

1. Correlación de la Velocidad de Onda de Corte (Vs) con Tipos de Suelos y Rocas

La velocidad de las ondas de corte (Vs) está estrechamente relacionada con la rigidez y la densidad de los materiales geológicos. En estudios geotécnicos, la Vs se utiliza para clasificar los suelos y predecir sus comportamientos mecánicos, particularmente en proyectos de cimentaciones profundas y evaluación de licuefacción. A continuación, se presentan valores típicos de Vs para diferentes tipos de suelos y rocas:

Estos valores indican que materiales como las lutitas y arcillas rígidas presentan mayores velocidades de ondas de corte, lo que refleja una mayor rigidez. Sin embargo, estas correlaciones dependen de factores locales como la humedad y el estado de consolidación del suelo​​​.

2. Correlación de la Velocidad de Onda de Compresión (Vp) con Tipos de Suelo

La velocidad de las ondas de compresión (Vp) también es un indicador importante de las características geotécnicas. Aunque menos utilizada que Vs para suelos blandos, Vp es clave en estudios de suelos más rígidos y rocas. Valores típicos de Vp incluyen:

Los valores de Vp ayudan a identificar transiciones entre suelos y rocas en estudios geofísicos y son útiles en la evaluación de zonas de fracturas o fisuras en rocas​​.

3. Correlación del Ensayo SPT con la Resistencia No Drenada (Su) en Arcillas y Lutitas

El ensayo SPT es comúnmente utilizado para estimar la resistencia no drenada (Su) en suelos cohesivos como las arcillas. Para arcillas rígidas y lutitas, la correlación entre el número de golpes (N) y la resistencia no drenada puede expresarse mediante la siguiente ecuación empírica:

• Arcillas Rígidas: Su(kPa)≈ 6.5 * N
• Lutitas Blandas: Su(kPa)≈ 5.5 * N

En arcillas muy rígidas, la resistencia no drenada puede alcanzar valores de hasta 400 kPa, lo que es indicativo de su alta rigidez. Para valores de N superiores a 50, Su puede exceder los 300 kPa, lo cual es común en suelos densamente compactados o sobreconsolidados​​​.

4. Correlación del SPT con el Módulo de Elasticidad (E)

El SPT también se utiliza para estimar el módulo de elasticidad (E) en suelos cohesivos y no cohesivos. Para suelos arcillosos rígidos y lutitas, se emplea la siguiente correlación:

• Arcillas Rígidas: E≈ 400 * N
• Lutitas Blandas: E≈ 300 * N

Esto sugiere que para valores de N superiores a 50, el módulo de elasticidad puede alcanzar valores elevados, indicando un comportamiento muy rígido del material. Estas correlaciones son especialmente útiles en diseños de cimentaciones profundas y en proyectos de grandes infraestructuras​​.

5. Estimación de Propiedades Mecánicas Usando Perfiles de Velocidades Sísmicas

Una manera eficaz de utilizar los perfiles de Vs para estimar propiedades mecánicas es mediante correlaciones empíricas basadas en la densidad del suelo y la velocidad de las ondas. Las siguientes ecuaciones pueden ser aplicadas para estimar tanto la resistencia no drenada como el módulo de elasticidad:

• Resistencia No Drenada (Su): Su ≈ 0.25 * ρ * Vs²
• Módulo de Elasticidad (E): E ≈ ρ ∗ Vs² ∗ (1+ν)/(1-2ν​​)

Donde ρ es la densidad del suelo y ν es el coeficiente de Poisson. Estas ecuaciones son particularmente útiles cuando se cuenta con datos sísmicos de campo y pueden proporcionar estimaciones precisas sin necesidad de ensayos destructivos​​.

6. Consideraciones Adicionales para Suelos con Valores de N > 50

Cuando el número de golpes del SPT supera los 50, como es común en arcillas extremadamente densas o lutitas, se recomienda la realización de pruebas complementarias como el ensayo CPT o pruebas de laboratorio para verificar las correlaciones empíricas. Estos ensayos adicionales permiten obtener una mayor precisión en la caracterización de suelos y rocas, especialmente en proyectos que requieren alta seguridad y estabilidad​​.

Conclusión

El uso de correlaciones entre la velocidad de ondas sísmicas (Vs y Vp) y los resultados del SPT es una herramienta poderosa en la ingeniería geotécnica. Permite a los ingenieros estimar con precisión propiedades críticas del suelo como la resistencia no drenada y el módulo de elasticidad, esenciales para el diseño de cimentaciones seguras y eficientes. Al combinar estos métodos con ensayos de campo adicionales, se obtiene una caracterización del suelo más completa y precisa, asegurando el éxito en proyectos de ingeniería civil.

Este artículo proporciona las bases teóricas y prácticas para aplicar estas correlaciones en proyectos de cimentación, y está respaldado por estudios y normas técnicas reconocidas internacionalmente​​​.

A seguir un listado de referencias clave puedes consultar para profundizar más en las correlaciones de las ondas sísmicas (Vs, Vp) y el ensayo SPT con las propiedades mecánicas del suelo:

1. Carter, M. y Bentley, S. P. (2016). Soil Properties and Their Correlations. Segunda Edición, John Wiley & Sons.

   • Este libro proporciona una visión detallada de las propiedades de los suelos y sus correlaciones empíricas con diversos ensayos geotécnicos, incluyendo SPT y perfiles de Vs​.

2. Coduto, D. P. (1995). Geotechnical Engineering: Soil Mechanics. John Wiley & Sons.

   • Incluye fundamentos de mecánica de suelos y correlaciones de propiedades del suelo con ensayos de campo y laboratorio​.

3. Ministerio de Fomento, España (2009). Guía de Cimentaciones en Obras de Carretera. Dirección General de Carreteras.

   • Ofrece guías prácticas sobre cimentaciones y correlaciones de ensayos como el SPT para estimar propiedades del suelo en proyectos viales​.

4. Canadian Geotechnical Society (2006). Canadian Foundation Engineering Manual, 4ª Edición.

   • Manual fundamental para estimaciones de propiedades del suelo, incluyendo el uso de SPT para arcillas y lutitas​.

5. WSDOT (Washington State Department of Transportation) (2022). Geotechnical Design Manual.

   • Proporciona guías y gráficos para la correlación del SPT con el módulo de elasticidad y otros parámetros geotécnicos​​.

6. Braja M. Das (2019). Advanced Soil Mechanics, 5ª Edición. CRC Press.

   • Presenta valores típicos de velocidad de ondas sísmicas para distintos tipos de suelo y correlaciones con propiedades mecánicas​.

7. Fellenius, B. H. (2023). Basics of Foundation Design.

   • Un recurso integral sobre el diseño de cimentaciones, con énfasis en las correlaciones del SPT y otras propiedades del suelo​.

8. Look, B. G. (2007). Handbook of Geotechnical Investigation and Design Tables. Taylor & Francis.

   • Proporciona tablas y correlaciones prácticas basadas en ensayos de campo como el SPT, útiles para el diseño geotécnico​.

9. Briaud, J.-L. (2023). Geotechnical Engineering: Unsaturated and Saturated Soils. Segunda Edición. John Wiley & Sons.

   • Un enfoque avanzado sobre la caracterización de suelos saturados y no saturados, con correlaciones detalladas entre Vs y propiedades del suelo​.

10. NAVFAC (Naval Facilities Engineering Systems Command) (2022). UFC 3-220-10 Soil Mechanics.

    • Incluye principios detallados de mecánica de suelos y sus aplicaciones en proyectos militares y civiles, con referencias específicas al uso de SPT​.