Capacidad portante admisible por SPT

Esta hoja de cálculo determina la presión admisible del terreno para cimentaciones superficiales (zapatas aisladas cuadradas, rectangulares o circulares) a partir de los resultados del ensayo de penetración estándar (SPT), siguiendo las correlaciones empíricas recogidas en el Código Técnico de la Edificación (CTE DB SE-C, Documento Básico de Seguridad Estructural — Cimientos).

Fundamento del ensayo SPT

El ensayo de penetración estándar (Standard Penetration Test) es el ensayo in situ más utilizado en la práctica geotécnica española e internacional para la caracterización mecánica de suelos. Consiste en hincar un tomamuestras normalizado mediante la caída libre de una maza de 63,5 kg desde una altura de 76 cm, contando el número de golpes necesarios para penetrar 30 cm en el terreno (N₃₀ o NSPT). Este valor se correlaciona directamente con la compacidad relativa de suelos granulares y, de forma indirecta, con la consistencia de suelos cohesivos.

El valor de N₃₀ está sujeto a múltiples factores que afectan a su representatividad: la energía real del martillo (que varía según el equipo y puede diferir significativamente del valor teórico), la longitud de barras, el diámetro del sondeo, la presencia de nivel freático y el tipo de tomamuestras utilizado. En rigor, los valores de N₃₀ deberían corregirse para referirlos a una energía estándar del 60% (N₆₀), aunque en la práctica española habitual las correlaciones se aplican frecuentemente sobre el valor bruto de campo. El proyectista debe valorar la necesidad de aplicar correcciones según las condiciones específicas de cada campaña.

Capacidad portante en suelos granulares — Método de Meyerhof (1965)

Para suelos granulares (arenas, gravas, zahorras y suelos mixtos con predominio de la fracción gruesa), la presión admisible se obtiene directamente a partir del N₃₀ mediante la formulación de Meyerhof (1965), que es la recogida en el CTE DB SE-C para este tipo de terrenos. Esta formulación proporciona la presión admisible (no la última) para un asiento máximo de 25 mm, lo que implica un factor de seguridad implícito frente al hundimiento.

Para cimentaciones de ancho B menor o igual a 1,22 metros, la presión admisible en kPa es q_adm = 12 · N₃₀ · Kd · Kw. Para anchos superiores a 1,22 metros, la expresión incorpora un factor de corrección por tamaño: q_adm = 8 · N₃₀ · ((B + 0,3) / B)² · Kd · Kw. El factor Kd corrige por la profundidad de empotramiento de la cimentación, de modo que Kd = min(1 + 0,33 · D/B, 1,33), donde D es la profundidad de la base de la zapata respecto a la superficie del terreno. El límite de 1,33 evita sobreestimar el efecto del confinamiento en cimentaciones muy profundas.

El factor Kw corrige la presencia del nivel freático, que reduce la resistencia de los suelos granulares al disminuir las tensiones efectivas. Si el nivel freático se encuentra en la base de la zapata o por encima, Kw = 0,5 (reducción del 50%). Si está a una profundidad igual o superior a B por debajo de la base, Kw = 1,0 (sin reducción). Para posiciones intermedias se interpola linealmente: Kw = 0,5 + 0,5 · (dw / B), siendo dw la distancia entre la base de la zapata y el nivel freático.

Capacidad portante en suelos cohesivos — Condición no drenada

En suelos cohesivos (arcillas, limos plásticos y suelos mixtos con predominio de finos), la capacidad portante se evalúa en condiciones no drenadas (a corto plazo), que constituyen la situación más desfavorable. Para ello se determina primero la resistencia al corte sin drenaje (Cu) del terreno a partir del N₃₀, y a continuación se aplica la teoría de capacidad portante.

La correlación entre N₃₀ y Cu es empírica y depende del tipo de suelo. Esta hoja ofrece tres métodos ampliamente referenciados en la bibliografía geotécnica.

El método de Stroud (1974) establece Cu = f · N₃₀ con f = 4,5 kPa, basado en ensayos sobre arcillas sobreconsolidadas del Reino Unido. Es la correlación más utilizada en la práctica europea y proporciona valores conservadores para arcillas blandas a medias.

La correlación de Terzaghi y Peck (1967) establece Cu ≈ 6,5 · N₃₀ (kPa), equivalente a la expresión clásica Cu ≈ N/15 en kg/cm². Proporciona valores algo superiores a Stroud y es más representativa de suelos de consistencia media a firme.

El método de Hara et al. (1974) utiliza una relación no lineal Cu = 29 · N₃₀^0,72 (kPa), que refleja mejor el comportamiento de suelos cohesivos con valores de N₃₀ elevados, donde la relación lineal tiende a sobreestimar la resistencia.

Una vez obtenida Cu, la capacidad portante última en condiciones no drenadas se calcula como q_ult = Cu · Nc · sc · dc + q₀. El factor de capacidad portante Nc adopta el valor de 5,14, correspondiente a la solución exacta de Prandtl para un medio semi-infinito puramente cohesivo. El factor de forma sc = 1 + 0,2 · (B/L) corrige por la geometría de la cimentación (sc = 1,2 para zapata cuadrada). El factor de profundidad dc = 1 + 0,35 · (D/B) tiene en cuenta la resistencia al corte del terreno por encima de la base de la zapata. La sobrecarga q₀ = γ · D representa el peso de la columna de suelo sobre el plano de apoyo. La presión admisible se obtiene aplicando un factor de seguridad global FS = 3: q_adm = q_ult / 3.

Perfiles mixtos (multicapa)

Cuando el perfil bajo la zapata contiene capas tanto granulares como cohesivas, la hoja evalúa la capacidad portante de cada capa individual dentro de la zona de influencia y adopta como valor de diseño la más desfavorable (mínima). La zona de influencia se define como 2·B por debajo de la base de la zapata, que es la profundidad hasta la cual las tensiones transmitidas por la cimentación son significativas según la distribución de Boussinesq.

Este enfoque conservador garantiza que incluso si existe una capa débil intercalada dentro del bulbo de presiones, la cimentación se diseña para la condición más exigente.

Clasificación de suelos según PG-3

La hoja permite seleccionar una clasificación descriptiva del suelo conforme al Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras (PG-3), que distingue entre suelos inadecuados, tolerables, adecuados, seleccionados y, como caso particular, zahorras y rellenos estructurales compactados. Esta clasificación facilita la entrada de datos al auto-sugerir valores orientativos de N₃₀ y peso específico, pero no modifica el cálculo, que depende exclusivamente de N₃₀ y del tipo mecánico.

Definición del perfil de apoyo

El perfil geotécnico se define con la profundidad 0 correspondiente a la base de la zapata. Debe representar el terreno tal como queda en el momento de apoyo de la cimentación. Si se ha previsto un saneo (excavación y sustitución del terreno inadecuado por un material granular compactado), el perfil debe reflejar el resultado final del tratamiento, no el estado natural del terreno. De este modo, la primera capa del perfil sería el relleno estructural con su N₃₀ y γ correspondientes.

Limitaciones y consideraciones

Las correlaciones SPT son empíricas y proporcionan resultados aproximados. Los valores de presión admisible obtenidos tienen carácter orientativo y no sustituyen un estudio geotécnico completo con análisis de capacidad portante por métodos analíticos rigurosos (Brinch Hansen, EC-7) ni la comprobación de asientos. En particular, la formulación de Meyerhof para suelos granulares lleva implícito un control de asientos (25 mm máximo), pero no evalúa explícitamente los asientos diferenciales. Para suelos cohesivos, la verificación de asientos a largo plazo (consolidación) requiere un análisis separado.

El ensayo SPT no es apropiado para todos los tipos de suelo: en gravas gruesas los resultados pueden estar distorsionados por el efecto del tamaño de partícula, y en suelos muy blandos (N₃₀ < 2) la fiabilidad es limitada. En rellenos compactados, el SPT no es el ensayo de control más adecuado; se recomienda el control de densidad in situ (95% del Proctor Modificado) y, para verificar la capacidad portante, el ensayo de placa de carga.

Esta hoja no considera cargas excéntricas, inclinadas ni la proximidad de taludes o bordes. Para estos casos debe aplicarse la formulación general de Brinch Hansen con los factores de corrección correspondientes.

Normativa y referencias

CTE DB SE-C — Código Técnico de la Edificación, Documento Básico de Seguridad Estructural: Cimientos (2006, revisión 2019). Meyerhof, G.G. (1965) — Shallow Foundations, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE. Stroud, M.A. (1974) — The Standard Penetration Test in Insensitive Clays and Soft Rocks, Proceedings European Symposium on Penetration Testing. Terzaghi, K. y Peck, R.B. (1967) — Soil Mechanics in Engineering Practice, 2nd Edition, John Wiley & Sons. Hara, A., Ohta, T., Niwa, M., Tanaka, S. y Banno, T. (1974) — Shear Modulus and Shear Strength of Cohesive Soils, Soils and Foundations. PG-3 — Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes, Ministerio de Fomento.