Ensayo SPT: cómo se hace, cómo se calcula N y qué correcciones se aplican

El ensayo de penetración estándar (SPT) mide cuántos golpes hacen falta para hincar una cuchara partida en el suelo, al fondo de una perforación. Un martillo de 63,5 kg cae 76 cm sobre las varillas y se cuentan los golpes de tres tramos de 15 cm; el valor N es la suma de los golpes del segundo y el tercer tramo. Ese N, tal como sale de campo, depende del equipo y de la profundidad, así que antes de usarlo en diseño se corrige: por la energía que de verdad llega a las varillas y por la presión del suelo encima.

Cómo se hace el ensayo

El procedimiento está en la ASTM D1586 (en Colombia, el INVÍAS tiene su norma de ensayo equivalente):

1. Se perfora hasta la profundidad del ensayo y se limpia el fondo.
2. Se baja la cuchara partida (muestreador de 51 mm de diámetro exterior) con las varillas, y se marcan sobre ellas tres tramos de 15 cm.
3. Se deja caer el martillo de 63,5 kg desde 76 cm, una y otra vez, y se anotan los golpes de cada tramo.
4. Se saca la cuchara, se abre y se describe y guarda la muestra.

El primer tramo es de asentamiento: atraviesa el suelo alterado por la perforación y por eso no cuenta. N es la suma del segundo y el tercero. En la figura puedes dar los golpes tú mismo: el contador va sumando los tramos y marca N al terminar.

Cuándo hay rechazo

El ensayo se suspende antes de completar los 45 cm si se llega a 50 golpes en un tramo, a 100 golpes en total, o si 10 golpes seguidos no hacen avanzar la cuchara. En el registro se anota cuánto penetró con esos golpes, por ejemplo 50/10 cm.

Qué va en el formato de campo y en el registro

En campo se anotan los golpes de cada tramo, la profundidad de inicio y fin del ensayo, la recuperación de la muestra y el tipo de martillo. En el registro de perforación debe verse lo mismo: los tres conteos y N.

Los tres conteos dicen cosas que N solo no dice. Con 10 – 9 – 12 el suelo es parejo en los 45 cm; con 4 – 5 – 30 el valor N es 35, pero la cuchara encontró algo más duro en el último tramo: un estrato distinto, una grava o un bloque. Si el registro solo muestra el 35, esa diferencia se pierde.

Para ver todo lo que debe llevar el registro, lee qué debe tener un registro de perforación.

Por qué hay que corregir N

El martillo cae siempre lo mismo: 63,5 kg desde 76 cm son unos 474 J de energía teórica. Pero no toda esa energía llega a las varillas: se pierde en el roce de la manila con la polea, en el martillo y en el yunque. Por eso dos equipos distintos pueden dar N muy diferentes en el mismo suelo. Además, a igual compacidad, una arena da más golpes cuanto más profunda está, porque el suelo de encima la confina.

La forma general de la corrección (Bowles, 1988) es:

N corregido = N × C_N × η₁ × η₂ × η₃ × η₄

Factor	Corrige	Rango usual
η1	Energía del martillo	ER / e (ver abajo)
η2	Longitud de las varillas	0,75 – 1,00
η3	Revestimiento interno del muestreador	0,80 – 1,00
η4	Diámetro de la perforación	1,00 hasta 5”; 1,15 para 8”
CN	Confinamiento (esfuerzo vertical efectivo)	Hasta 2,0

Corrección por energía: N60 o N45

El número de golpes es inversamente proporcional a la energía que llega a las varillas: si cada golpe empuja más, hacen falta menos golpes. Para pasar el N medido con un equipo que entrega una energía ER a una energía de referencia e:

N_e = N × ER / e

Son dos porcentajes distintos y conviene no confundirlos:

• ER es la energía que de verdad entrega tu equipo, como porcentaje de los 474 J teóricos. Depende del martillo y de cómo se opera, y lo correcto es medirla.
• e es la energía de referencia, y la fija la correlación que vas a usar. La mayoría de correlaciones de la literatura internacional están hechas con e = 60 % (N60); algunas japonesas, con 72 % (N72).

Qué ER tomar si no se ha medido

Lo correcto es medir la energía del equipo (ASTM D4633). Si no se mide, González (1999) cita estos valores iniciales:

Equipo	Energía que entrega (ER)
Martillo anular (donut)	45 %
Martillo de seguridad	70 % – 100 %
Valor representativo en Estados Unidos	60 %
Valor representativo en Japón	72 %
Colombia, sin calibración	45 % (conservador)

El 45 % de Colombia es la energía del equipo, no la referencia: aquí predominan los equipos de martillo y manila, menos eficientes que los que están detrás del 60 % de Estados Unidos o el 72 % de Japón. Es conservador porque una ER baja da un N corregido más bajo, y con él parámetros de resistencia menores. Si el equipo se calibró, se usa la energía calibrada.

Por qué un martillo automático da un factor mayor que 1

Un martillo automático entrega más energía, por ejemplo ER = 75 %. Con cada golpe la cuchara avanza más, así que en campo cuenta menos golpes que un equipo con 60 %. Para saber cuántos golpes habría contado el equipo de referencia, hay que subir el valor: N60 = N × 75 / 60 = 1,25 N. Con un equipo de manila al 45 % pasa lo contrario: cuenta más golpes de la cuenta y se baja: N60 = N × 45 / 60 = 0,75 N. El factor solo vale 1 cuando la energía del equipo es igual a la de referencia.

N45: llevar las correlaciones a la energía del equipo

González propone el camino inverso: en vez de pasar el N de campo a N60, transformar las correlaciones a una referencia e = 45 %. La transformación sale de la misma relación. Por ejemplo, la de Kishida para el ángulo de fricción está hecha con N72, y como N72 = N45 × 45 / 72 = 0,625 · N45:

φ’_eq = 15 + (20 · N₇₂)^0,5 → φ’_eq = 15 + (12,5 · N₄₅)^0,5

Con la correlación en N45 y un equipo colombiano sin calibrar (ER = 45 %), la corrección por energía vale 1: N45 = N × 45 / 45 = N de campo, y solo quedan las demás correcciones. Si el equipo se calibró con otra energía, N45 = N × ER / 45.

Lo que no se puede es mezclar: una correlación hecha con N60 se alimenta con N60, y una transformada a N45, con N45.

Longitud de varillas, muestreador y diámetro

Longitud de varillas (η₂). Es la longitud total de varillas entre el punto donde golpea el martillo (el yunque) y la cuchara, no la de cada tramo entre uniones. Con poca longitud total, en los ensayos cerca de la superficie, el golpe no alcanza a transmitir toda su energía:

Longitud total de varillas	η2
Menos de 3 m	0,75
3 – 4 m	0,80
4 – 6 m	0,85
6 – 10 m	0,95
Más de 10 m	1,00

Muestreador (η₃). Si la cuchara lleva revestimiento interno, el factor baja de 1,00 hasta 0,80. Normalmente se usa sin revestimiento y vale 1,00.

Diámetro de la perforación (η₄). 1,00 hasta unas 5”; más de 1,00 por encima; 1,15 para 8”.

Corrección por confinamiento: C_N

N₁ = C_N × N, con R_s = σ’_v / p_a

donde σ’_v es el esfuerzo vertical efectivo a la profundidad del ensayo y p_a es la presión atmosférica (1 kg/cm², unos 100 kPa). Así se lleva N a lo que daría el mismo suelo con 1 atmósfera de confinamiento. No hay una sola fórmula:

Autor	CN
Peck	log(20 / Rs) / log(20)
Seed	1 − 1,25 · log(Rs)
Meyerhof – Ishihara	1,7 / (0,7 + Rs)
Liao – Whitman	(1 / Rs)0,5
Skempton	2 / (1 + Rs)
Seed – Idriss (Marcuson)	1 − K · log(Rs); K = 1,41 si Rs < 1 y K = 0,92 si Rs ≥ 1
Schmertmann	32,5 / (10,2 + 20,3 · Rs)

Todas dan C_N = 1 con una atmósfera, pero se separan mucho cerca de la superficie (R_s pequeño) y a gran profundidad. Se recomienda C_N ≤ 2,0; algunas fórmulas, como la de Seed, dan valores negativos con confinamientos altos. En la comparación de González (1999), las que menos se apartan del promedio son Seed – Idriss (Marcuson), Meyerhof – Ishihara, Schmertmann y Skempton, y propone usar la de Seed – Idriss con N45. La de Liao – Whitman es la más usada en la literatura internacional, casi siempre con un tope de 1,7, pero es la que más se aparta del promedio cerca de la superficie.

Con las dos correcciones, el valor se escribe indicando la energía: (N₁)₄₅ o (N₁)₆₀.

Arenas finas o limosas bajo el nivel freático. Hay una corrección antigua (Terzaghi y Peck) para estas arenas cuando N pasa de 15: N’ = 15 + ½·(N − 15). Si la usas, dilo en el informe: no todos los métodos de diseño la asumen.

Ejemplo resuelto

Muestra SS-8 del sondeo S1 de nuestro proyecto de demostración: arena fina de compacidad media entre 8,50 y 8,95 m, nivel freático a 1,50 m, golpes 10 – 9 – 12. Equipo de manila sin medición de energía.

1. N de campo: 9 + 12 = 21 (el 10 del primer tramo no cuenta).
2. Energía. Sin calibración, el equipo entrega ER = 45 %. N45 = 21 × 45 / 45 = 21 (la corrección vale 1). N60 = 21 × 45 / 60 ≈ 15,8.
3. Varillas. Unos 9,5 m de varillas en total: η₂ = 0,95. Cuchara sin revestimiento y perforación de 4”: η₃ = η₄ = 1,00. N45 ≈ 21 × 0,95 ≈ 20; N60 ≈ 15,8 × 0,95 ≈ 15.
4. Esfuerzo efectivo a 8,7 m, con pesos unitarios supuestos de 17 kN/m³ sobre el nivel freático y 18 kN/m³ debajo: σ_v = 1,5 × 17 + 7,2 × 18 ≈ 155 kPa; u = 7,2 × 9,81 ≈ 71 kPa; σ’_v ≈ 85 kPa, así que R_s ≈ 0,85.
5. Confinamiento. Seed – Idriss (Marcuson): C_N = 1 − 1,41 · log(0,85) ≈ 1,10. Liao – Whitman daría 1,09: a esta profundidad casi coinciden. (N₁)₄₅ ≈ 20 × 1,10 ≈ 22 y (N₁)₆₀ ≈ 15 × 1,10 ≈ 16,5.

El mismo ensayo es un 21 en el registro de campo, un 22 en (N₁)₄₅ y un 16,5 en (N₁)₆₀. Ninguno está mal: son cosas distintas, y por eso hay que decir siempre cuál se está usando y con qué energía.

Errores comunes

• Corregir en el registro de perforación. El registro lleva los golpes y el N de campo; las correcciones van en el análisis, con sus supuestos a la vista.
• Sumar los tres tramos. El primero es de asentamiento y no entra en N.
• Convertir un rechazo en N. Se anota tal cual, por ejemplo 50/10 cm.
• No anotar el martillo. Sin saber el equipo, nadie puede estimar la energía después.
• Confundir ER con e. El 45 % es la energía que entrega el equipo; la referencia (60 %, 72 % o 45 %) la pone la correlación.
• Mezclar energías. Usar una correlación hecha con N60 alimentándola con N45, o al revés.
• Tomar la longitud de una sola varilla para η₂, en lugar de la longitud total desde el yunque hasta la cuchara.

Normas y referencias

• ASTM D1586 — ensayo de penetración estándar (SPT) y muestreo con cuchara partida.
• ASTM D4633 — medición de la energía del SPT.
• González, Á. J. (1999). Estimativos de parámetros efectivos de resistencia con el SPT. X Jornadas Geotécnicas de la Ingeniería Colombiana, SCI – SCG. De ahí salen el 45 % como energía conservadora de los equipos colombianos sin calibrar, la transformación de las correlaciones a N45, las fórmulas de C_N y su comparación.
• Bowles, J. E. (1988). Foundation Analysis and Design — la forma general de la corrección.
• Youd, T. L. et al. (2001), informe NCEER/NSF — los valores por longitud de varillas.
• En Colombia, el Título H de la NSR-10 fija los requisitos de la exploración. Verifica siempre la versión de la norma que exige tu cliente.

Si quieres llevar los golpes de campo a un registro limpio, el formato de registro en Excel calcula N solo, y en TerrioLabs Drilling los golpes de cada tramo pasan del formato de campo al registro de perforación sin volver a digitarlos.