Medición de la Resistencia al Corte del suelo en campo, laboratorio y por correlaciones empíricas, en diseño de Presas de Tierra
PRESAS DE
TIERRA
Presa Serre Ponḉon – Alpes Francia
Las presas de tierra son en general difíciles de
estudiar, pues los problemas están en algunos casos en la estabilidad de las
formaciones geológicas y en otros en la compresibilidad de la cimentación o en
la permeabilidad de las rocas.
Para llevar a cabo un
proyecto de esta magnitud, es importante contar con un programa de
exploraciones, donde tanto geólogos como los
ingenieros encargados del proyecto, discuten la campaña exploratoria que
debe realizarse para verificar el corte geológico en la boquilla y lugares de
las obras complementarias, así como los estudios para determinar las propiedades
mecánicas de las rocas, permeabilidad, intemperismo, fracturamiento, etc.
El programa de trabajo, se
divide en dos etapas: La primera contiene el mínimo de exploraciones necesarias
para conocer los aspectos fundamentales de las formaciones que se encuentran en
el sitio. La segunda completa la información y verifica ciertos aspectos
dudosos o debatibles, descubiertos en la fase anterior.
Para entender el plan
exploratorio en un proyecto de una presa, conviene conocer las partes de una presa,
las cuales se muestran en el siguiente gráfico:
RESISTENCIA
AL CORTE EN UN PROYECTO DE UNA PRESA DE TIERRA
Resistencia al corte en la boquilla y vaso o embalse de la presa
La resistencia al corte de
los materiales que conforman la cimentación o de los empotramientos, así como
el material de préstamo para la construcción de la cortina, definen la
estabilidad de la presa y el equilibrio de las laderas en el embalse o aguas
abajo de la cortina.
Las pruebas para determinar
la resistencia al esfuerzo cortante, depende del material y del problema a
resolver, así para analizar la estabilidad a corto plazo de un
talud cortado en arcilla saturada, medianamente dura, de origen lacustre, se
emplea la resistencia al corte desde el ensayo de compresión simple, qu,
realizada en muestras inalteradas, no obstante, valores obtenidos en pruebas
triaxiales no drenadas o rápidas, Q, son más recomendables. Si
el talud pertenece a una estructura permanente, es necesario verificar su estabilidad
a largo plazo, con los resultados de ensayos lentos o drenados, S, ya sea
en triaxiales o de corte directo. Es frecuente la excavación de taludes en
formaciones heterogéneas y con planos de estratificación no horizontales, de
modo que se deben tener muestras inalteradas de todos los estratos y en
particular de los más compresibles y menos resistentes. No obstante la
resistencia al corte, así como la evolución de las fuerzas operantes, en estos
taludes complejos, están expuestos a incertidumbres que deben superarse con
criterio, sustentado con la experiencia de casos semejantes.
En los suelos granulares,
que generalmente se presentan en depósitos aluviales, la obtención de muestras
inalteradas es muy difícil, solo inyectando productos químicos o por saturación
o congelación, es posible lograrlo. La resistencia de la resistencia al corte
de suelos granulares, se realiza mediante pruebas triaxiales drenadas, S.
Con frecuencia se usa el
aparato de corte directo, para investigar la resistencia en arenas. Las
probetas se deben preparar en el laboratorio en condición suelta y compacta y
realizar el triaxial S, de este modo se cuenta con valores extremos de la
resistencia al corte y por interpolación es posible estimar valores para
diferentes relaciones de vacío
En rocas, la
capacidad portante y compresibilidad, no es importante para el proyectista,
pero, si es importante estudiar cuidadosamente los defectos o debilidades, como
el fracturamiento, relleno de grietas, la alteración, etc. Para medir la
resistencia al corte, se tallan especímenes con el mismo contenido de humedad y
se emplea el aparato de corte directo, con el que pueden efectuarse pruebas S,
empleando muestras muy delgadas (5 mm). En rocas masivas como las ígneas extrusivas que poseen fracturamientos muy
diferentes como la lava en bloques o la estructura lajeada, pasando por
las de tipo columnar, se emplean aparatos de corte directo para determinar las
resistencias in situ, de estas formaciones. Otro factor que influye son las
fallas directas o inversas, producidas por esfuerzos tectónicos de tensión o
compresión, respectivamente, que dan origen a superficies planas de gran
profundidad y longitudes de kilómetros, en este caso, se determina la
resistencia al corte en el sentido de las fracturas o también se resuelve
mediante el estudio de las propiedades mecánicas de los materiales que rellenan
las grietas. Cuando la abertura de las discontinuidades es grande y el material
de relleno no es sensible al efecto de escala, su resistencia al corte puede
medirse en el laboratorio sobre muestras inalteradas o cuando las
discontinuidades no contienen relleno o están constituidas por un contacto
entre dos formaciones, los estudios de laboratorio no pueden solucionar el
problema, luego se ensayan en sitio, con gatos de gran capacidad, tal como se
describe más adelante.
Resistencia al corte para
materiales de construcción de la presa
Resistencia al corte en
suelos Finos:
Para los suelos finos, se
presentan dos situaciones:
A.
A corto plazo, que es durante la construcción o inmediatamente después de ella
B. A largo plazo o sea, después de que el suelo ha
sufrido todos los cambios de humedad y peso unitario, generados por los cambios
ambientales. En este caso existen dos condiciones extremas de trabajo del suelo: B.1. Bajo deformaciones aplicadas rápidamente, sin que el suelo tenga tiempo de
cambiar su contenido de agua o su relación de vacíos durante la falla. B.2.
Bajo deformaciones de muy baja velocidad, que permitan al suelo ajustar su
volumen y no desarrollar presiones de poro transitorias durante el incremento
de los esfuerzos cortantes. Para el análisis a corto plazo y para deformaciones
aplicadas rápidamente, sin que el suelo tenga tiempo de cambiar su contenido de
agua, es conveniente el uso de la ley empírica de resistencia, en términos de
esfuerzos totales, obtenidos de pruebas no consolidadas no drenadas ( UU) o
consolidadas no drenadas (CU). En el
caso del análisis bajo deformaciones a muy baja velocidad, lo más apropiado es
usar la ley empírica de resistencia en términos de esfuerzos efectivos,
derivados de pruebas consolidadas drenadas (CD).
Comportamiento en pruebas
UU: Dado que las propiedades de un suelo compactado
depende del grado de saturación, el comportamiento de una misma muestra en
prueba triaxial UU, depende de que se le ensaye con el grado de saturación de
compactación o se le sature previamente a volumen constante. En el primer caso
la resistencia es función de la presión confinante del ensayo pues la compresibilidad
del aire, hace que la relación de vacíos varíe con dicha presión y en el
segundo caso, el comportamiento es independiente de la presión confinante.
Comportamiento en pruebas
CU: La resistencia CU, para los fines del análisis de
presas, interesa solo en condiciones de saturación previa, del suelo compactado.
Comportamiento en pruebas
CD: Interesa principalmente la resistencia en
condiciones de saturación, aunque la experiencia a demostrado que la diferencia
entre el ensayo CD con saturación previa y sin ella, es insignificante para
presiones de consolidación mayores de 1 Kg/cm² (Marsal).
Resistencia al corte de
enrocamientos:
Se mide la resistencia en
los estados suelto y denso, en ensayos de compresión triaxial, deformación
plana y en el ensayo de extensión triaxial, con el fin de comparar los
resultados y escoger los más acertados entre ellos.
Compresión triaxial:
Se realizan en especímenes cilíndricos de 1.13 m de diámetro (1 m² de sección
transversal) y 2.5 m de altura que son sometidos a presiones confinantes
máximas de 25 Kg/cm². La cámara es esférica de 4.2 m de diámetro y contiene en
su interior el marco de carga, formado por el anillo superior, nueve gatos
hidráulicos que trabajan en tensión. La capacidad total del marco es de 1500
Ton. Los movimientos laterales y los de giro axial del anillo de carga son
restringidos por medio de resortes y barras de torsión. Las deformaciones
axiales del espécimen se miden con 3 extensómetros verticales que miden al
milímetro. Para calcular las deformaciones radiales se cuenta con 5
extensómetros circunferenciales que tienen la misma sensibilidad que los
verticales. Además mediante 2 buretas de 100 y 500 lts de capacidad, se
determina la variación volumétrica con aproximación de 0.03 y 0.19 Lts/mm,
respectivamente. Ver figura
Figura del libro Presas de tierra y enrocamiento Raúl Marsal
Las cargas axiales aplicadas a la
probeta son registradas por tres gatos planos ubicados en la base, mediante
manómetros de precisión que operan en los intervalos de presión 0-40, 0-150 y
0-400 kg/cm2. La presión confinante se produce con un sistema hidroneumático
integrado por un compresor, diez botellas de alta presión y un tanque de acero,
de 3.5 m3 de capacidad, parcialmente lleno de agua. Los especímenes
sometidos a presiones confinantes menores de 1 kg/cm2 fueron ensayados en el aparato
T-113-l que opera al vacío (Marsal et al, 1965).
Preparación del espécimen
Para trasmitir la presión
confinante (s3) al
espécimen, este va cubierto con una membrana. Se han usado en las
pruebas tres tipos de membrana, a saber: a) un tubo de hule exterior, de 6 mm
de espesor, otro interior de 3 mm y el espacio anular entre ellos, de 5 cm,
lleno de arena compactada; b) dos tubos de hule como en el caso anterior
y, en lugar de la arena, tres capas de placas de poliestireno (grado duro),
engrasadas, y c) dos tubos de hule de 3 mm cada uno, y entre ellos, bandas del
mismo material para formar membranas que tienen un espesor total de 1.2 cm
cuando s3
< 10 kg/cm2, y de 2 cm para s3
> 10 kg/cm2. El primer
tipo se usó al principio de la investigación y tiene el- inconveniente de ser
difícil la colocación y compactación de la arena. Como se notaron discrepancias
en las mediciones volumétricas, se introdujo la membrana del segundo tipo con
fines de comparación; finalmente, se adopto la constituida solo por hule, que
utilizaba con éxito el laboratorio de la Universidad de California (Chan,
1969).
El material se coloca por capas,
pesando los componentes de cada una, después de cribar. Esta fase del trabajo
es importante para asegurar la homogeneidad del espécimen. Cada capa se
compacta con una placa vibradora de 1 m de diámetro que da impactos de 1000 kg
con una frecuencia de 50 cps; el grado de compactación depende del tiempo de
vibrado. Se realizan pruebas preliminares en un cilindro de 1.14 m de diámetro
y 0.86 m de altura, para determinar el tiempo de vibrado necesario en cada caso
y las relaciones de vacíos correspondientes a los estados suelto y denso. La formación
del espécimen requiere uno o dos moldes, según el tipo de membrana, y la
aplicación de vacío interior, a fin de extraerlos y colocar los instrumentos de
medición antes de aplicar la presión confinante.
Las primeras pruebas triaxiales se
efectuaron con el material en su estado natural, por lo que se refiere a la
humedad. Después se saturaron los especímenes haciendo circular agua de la base
a la cabeza y aplicando vacío; no se lograba una saturación total con este
procedimiento. En las series de ensayes más recientes se inyecto agua desaireada
y se aplicó contrapresión de 2 a 3 kg/cm2; de este modo se han
logrado grados de saturación del 100 por ciento, aproximadamente.
Ejecución de la prueba.
Por las razones anteriores, los
especímenes son sometidos a vacío (s3
= - 0.3 kg/cm2) durante el montaje. Después se saturan bajo una
presión que varía entre 0.5 y 1.0 kg/cm2. Durante estas fases de la
construcción de la probeta, la medición de deformaciones es difícil; no
obstante, se conocen las dimensiones iniciales del espécimen con buena precisión.
La presión s3 elegida para la prueba se
aplica por incrementos, registrando las deformaciones axiales, ea, y volumétricas, er, una vez logrado el equilibrio. A continuación
se incrementa la carga axial en forma escalonada hasta alcanzar un esfuerzo desviador
(s1- s3) próximo
a la falla. En este intervalo, la prueba es de deformación controlada, o sea,
se aplican incrementos Δea
prefijados. Para altas presiones confinantes ( s3 > 10 kg/cm2) y
enrocamientos susceptibles a la rotura de granos, las deformaciones ea llegaron a ser de 15 por
ciento o mayores; en algunos casos se descargó el espécimen y se colocó un
separador para continuar el ensayo hasta 20 por ciento de deformación axial; en
otros, simplemente se suspendió la prueba sin alcanzar la falla.
Concluido el ensayo, se determina
la granulometría a fin de compararla con la inicial y estimar la rotura de
granos Ba.
Extensión triaxial. Para
realizar pruebas de extensión con espécimenes cilíndricos de 1.13 m de diámetro y 1.80 m de altura,
hubo que adaptar la cámara triaxial T-113-25 descrita en el inciso anterior.
Las modificaciones se muestran en la siguiente figura:
Figura del libro Presas de tierra y enrocamiento Raúl Marsal
y consistieron en: a) fijar
el anillo de carga a la base por medio de tres columnas de acero, b) instalar
en dicho anillo un gato hidráulico que puede trasmitir al cabezal del espécimen
cargas axiales de 200 ton trabajando en tensión y c ) ligar el
pedestal de la probeta a la base del marco de carga con 16 tomillos.
El equipo de medición de
deformaciones y esfuerzos es el mismo que se describió en el caso del aparato
T-113-25.
Preparación del espécimen.
Las especificaciones establecidas
para las pruebas de compresión se aplicaron a las de extensión, sin variantes.
Los especímenes se saturaron en todos los casos con agua desaireada y contrapresión.
Se usaron solo membranas de hule.
Ejecución de la prueba.
El espécimen, una vez saturado, se
sometió a la presión confinante elegida (s3 = 10 y 22 kg/cm2)
en forma escalonada y midiendo al alcanzar el equilibrio las deformaciones axial,
circunferencial y volumétrica. A continuación, y por incrementos pequeños, se
descargaba el cabezal del espécimen operando el gato axial, hasta alcanzar la condición
de falla, la cual se presenta en forma abrupta, por lo que el error en la determinación
de la carga puede ser mayor del 5 por ciento. Fue necesario corregir las
mediciones de la carga axial teniendo en cuenta que son afectadas por la presión
lateral, pues el espécimen adquiere durante el ensayo aproximadamente la
forma de un hiperboloide de revolución; el error (negativo) por este concepto
en el esfuerzo principal mayor puede ser hasta de 25 por ciento del esfuerzo
registrado en la base, y explica las discrepancias con resultados de compresión
triaxial encontradas por otros investigadores.
Deformación plana. Aparato PS-75-22.
Este dispositivo fue diseñado para
ensayar especímenes prismáticos de 70 x 75 cm de sección transversal y 180 cm de
altura; las principales características del aparato se muestran en la siguiente
figura. La probeta esta confinada por paredes rígidas y móviles. Las primeras están
ligadas entre sí por barras huecas en las que se instalaron transformadores
diferenciales (LVDT) para medir el esfuerzo principal intermedio (s2); las
moviles, formadas por placas de acero de 7 cm de espesor, cuelgan de ruedas y
van guiadas por mecanismos que impiden su giro alrededor de un eje vertical.
Apoyado en el marco rígido, un gato hidráulico con capacidad de 600 ton genera
los esfuerzos axiales (s1).
El cabezal y la base del espécimen tienen celdas planas para medir el valor
medio de s1. La
presión lateral (s3) se
aplica a las paredes móviles con seis pares de gatos hidráulicos (50 ton de
capacidad cada uno) dispuestos a tres elevaciones. Con los dispositivos de
carga descritos se pueden desarrollar esfuerzos de 100 kg/cm2 en la dirección
de s1 y
de 22 kg/cm2 según s3.
Las deformaciones laterales ( ex) y
las axiales (ez) se
miden con extensómetros eléctricos con aproximación al milímetro.
Preparación del espécimen
Debido a las dimensiones de la
probeta, se limitó el tamaño máximo de los granos a 15 cm. Como en el caso de
compresión triaxial, los especímenes se formaron por capas de 20 cm,
compactadas mediante una placa vibradora. Las probetas no se saturaron.
Con objeto de reducir a un mínimo
la fricción entre el material y las paredes confinantes (cabezal y base
inclusive), estas se tapizaron con tres capas de placas de poliestireno
engrasadas.
De acuerdo con ensayes de corte
directo, el coeficiente de fricción del revestimiento anti friccionante era de
0.05; sin embargo, durante los ensayes en el aparato PS-75-22, dicho
coeficiente vario de 0.07 a 0.12.
Ejecución de la prueba.
Durante la construcción de la
probeta, las paredes móviles se mantenían fijas. El ensaye se realizó en todos
los casos aplicando las cargas axiales por incrementos y dejando que se elevara
la presión lateral (s3 ) hasta
alcanzar el valor deseado; a partir de ese momento se permitía el
desplazamiento de las paredes móviles de modo que s3 permaneciera constante. En cada
incremento de carga, al lograr el equilibrio, se medían las presiones
desarrolladas en la cabeza y la base del espécimen, el esfuerzo intermedio y
las deformaciones axial y lateral.
Debido a limitaciones en la
carrera del gato axial, fue necesario, en la mayoría de los casos, descargar la
probeta y colocar un separador.
Al terminar cada ensayo se
determinó la granulometría del material para estimar el parámetro Ba de
rotura de granos: A continuación se muestra un esquema del aparato de deformación plana.
Figura del libro Presas de tierra y enrocamiento Raúl Marsal
OTROS MÉTODOS PARA MEDIR LA RESISTENCIA AL CORTE EN EL CAMPO
En un proyecto de presas de
tierra, se tienen dos etapas de exploración y en la primera de ellas, se obtiene
una aproximación a las propiedades mecánicas de los suelos en la
cimentación-cortina y en los taludes que conforman la represa o vaso. En esta
etapa se realizan ensayos in situ, que permiten determinar la resistencia al cortante directamente en el campo, utilizando ensayos sencillos o complejos. Los ensayos de campo son muy útiles para determinar la resistencia al cortante en suelos residuales por las siguientes razones:
a. Se elimina la alteración por muestreo, transporte y
almacenamiento.
b. El tamaño de la muestra es mayor y más representativo de la masa
de suelo.
Hay una gran variedad de ensayos
disponibles para medir la resistencia al cortante in situ, bien sea en forma
directa o indirecta a través de correlaciones empíricas o semiempíricas.
Cuando se planea un programa de
investigación que requiere la determinación de los parámetros de resistencia al
cortante, se deben analizar los diversos equipos y sistemas disponibles y las
ventajas y desventajas de cada uno de los métodos, teniendo en cuenta las necesidades
del diseño y cómo la confiabilidad de esos parámetros, van a influenciar el
comportamiento de los diseños.
Los tipos de ensayo más utilizados
se indican en la siguiente tabla:
A. Ensayo de Corte Directo in situ
Es un ensayo muy poco utilizado
por su costo relativamente alto, pero muy utilizado en el diseño de presas de tierra. La mayoría de los casos reportados en la
literatura se refieren a ensayos en roca, debido a que no es posible determinar
la resistencia de estos materiales heterogéneos o estratificados mediante
ensayos de laboratorio. El ensayo de Corte directo de campo es particularmente
útil para simular la condición de esfuerzos que existe sobre una superficie
plana, potencial de deslizamiento en una ladera. También permite el corte con
cargas normales bajas, como es el caso de fallas poco profundas. El principal
propósito de este ensayo es determinar los valores de las resistencias pico y
residual, tanto en material intacto como en discontinuidades, incluyendo las
discontinuidades heredadas. El ensayo generalmente, se realiza en apiques. La
mayoría de los ensayos se organizan en tal forma que el plano es horizontal e
idealmente, el plano de corte debe ser paralelo a un grupo mayor de
discontinuidades o coincidir lo más preciso posible con una discontinuidad
mayor.
El tamaño de las muestras debe ser
al menos 10 veces el tamaño máximo de partícula. Tamaños típicos son 300 x 300
mm y 500 x 500 mm para suelos o roca meteorizada.
La excavación del apique y del
pedestal (muestra a ensayar) debe hacerse con un cuidado muy especial para
evitar alterar las discontinuidades en la muestra. Una vez se excava el
pedestal debe protegerse de la exposición para evitar cambios de humedad.
Si se desea realizar el ensayo a lo largo de una
discontinuidad, la orientación espacial de la discontinuidad (Rumbo y
buzamiento) deben identificarse muy claramente, antes de iniciar el tallado de
la muestra.
El equipo para realizar el ensayo
de corte directo en campo consiste de pesos, apoyos y gatos hidráulicos.
Durante el ensayo el alineamiento de la carga vertical debe mantenerse a medida
que avanza el desplazamiento de corte.
La prueba de corte directo
se lleva a cabo aislando de la masa rocosa un espécimen prismático de roca,
limitado en su cara inferior por la discontinuidad. Sobre la cara superior de
la muestra se ejerce una fuerza constante normal al plano potencial de falla,
mientras simultáneamente se aplica, en incrementos, un esfuerzo tangencial que
induce la falla del bloque. Esta prueba, muy sencilla en su concepto, presenta
problemas en su realización: como orientación de las fuerzas aplicadas,
velocidad de carga, condiciones de saturación de la muestra, etc. En el esquema
de montaje (fig ), la dirección de aplicación de la fuerza lateral no es
horizontal. Este dispositivo elimina la formación de grietas de tensión en la
cercanía de la zona de aplicación de la carga lateral. Empero, al utilizar este
dispositivo, es necesario corregir la magnitud de la carga normal N directamente
aplicada a la muestra a fin de compensar en todo momento el componente normal
de la carga lateral variable T. En la siguiente figura se muestra el esquema del montaje.
Figura del libro Presas de tierra y enrocamiento Raúl Marsal
En todo caso, el valor
mínimo de la fuerza normal total aplicada a la muestra es N min = T tan
a, designando por a, el ángulo de inclinación de la carga lateral
con respecto a la horizontal. Implica que no puede determinarse con este
dispositivo la envolvente de falla en el intervalo de esfuerzos normales nulos.
Para obviar esta limitación, en muchos casos se ha recomendado que la dirección
de aplicación de la carga lateral sea horizontal.
Es también recomendable
elegir una velocidad de carga lateral de modo que las presiones de poro
generadas durante el proceso de falla sean reducidas. Finalmente, el sentido y dirección
del desplazamiento inducido durante la prueba puede ser importante; por
ejemplo, en los planos de contacto entre formaciones sedimentarias es común la
presencia de micropliegues (ripple marks). En dicho caso, según sea la dirección
del desplazamiento inducido 1, 2 o 3, se obtienen los valores S1, S2 y S3
de la resistencia al corte.
Corte directo in situ por torsión
Figura del libro Presas de tierra y enrocamiento Raúl Marsal
En la figura anterior, se
presenta un aparato de corte directo que opera por torsión (Marsal et al, 1965).
Este dispositivo fue diseñado para ensayar in situ, los materiales de la
cimentación del dique 2 de Malpaso, Chis, (fig 7.12a, cap 7) en la que cruza
una falla. El relleno de la falla es un complejo de materiales arcillosos de
composición errática, y las formaciones contiguas a esta se encuentran
intensamente fisuradas. Para proyectar el dique era necesario determinar la
resistencia al corte de estos materiales y, por tratarse de rocas fisuradas,
debía trabajarse con especímenes de gran tamaño, a fin de lograr resultados
representativos.
El disco, con 72 cajas de 7 x 10 x
1.5 cm, se hinca en el terreno previamente nivelado; el área total de prueba es
de 0.5 m2. Mediante un gato hidráulico que se apoya en una plataforma lastrada
y lleva en su base un balero axial, pueden desarrollarse presiones normales
hasta de 10 kg/cm2. Dos gatos hidráulicos fijos al marco exterior trasmiten con
cables el par torsor al disco; el dispositivo tiene capacidad para 2 kg/cm2 de
corte. El marco exterior reacciona contra el terreno, soportado por zapatas de
concreto reforzado (fig 11.32). Se realizaron pruebas con los dos tipos de
lutitas descubiertos en la cimentación; en cada sitio los ensayes fueron repetidos
a tres niveles distantes entre si 10 cm. Cada prueba consistió en la aplicación
de una primera carga normal de 0.5 kg/cm2 y, al terminar el proceso
de consolidación, se ejercía el par torsor en forma progresiva hasta alcanzar
la falla. A partir de ella, se continuaba el ensayo provocando rotaciones
adicionales a velocidad constante y midiendo la variación en el esfuerzo tangencial.
Terminada esta etapa, se incrementaba la carga normal volviendo a repetir el
proceso anterior. Se usaron presiones normales de 0.5, 1, 2, 4 y 6 kg/cm2. Las
pruebas fueron realizadas con tres velocidades de carga, correspondientes a
tiempos de aplicación de los incrementos de esfuerzos de 5, 60 y 360 min.
B. Ensayo de penetración estándar
En el ensayo de penetración
estándar se entierra un tubo partido, aplicando golpes con un martillo de 63
Kg. que cae de una altura de 750 mm. El número de golpes requerido para
enterrar el tubo 300 mm, se denomina N de penetración estándar. Con el número
de golpes corregido para una energía del 60%, se puede estimar el valor del ángulo de fricción interna para
arenas (Peck, 1974). También se puede obtener la densidad relativa y con esa
densidad relativa obtener el valor de ángulo de fricción´ (Schmertmann, 1975).
El ensayo de penetración estándar se desarrolló inicialmente para determinar la
resistencia de suelos no cohesivos y la mayoría de las correlaciones que
existen en la literatura son útiles solamente para gravas y arenas. Stroud
(1974) desarrolló una correlación muy útil del valor de N para arcillas duras y
rocas blandas, en el Reino Unido. La relación de Stroud es la siguiente:
cu = 5N kPa.
Esta correlación es
utilizada para obtener la resistencia de suelos residuales arcillosos, cuando
las profundidades del perfil de suelo no son mayores de 5 metros.
Las resistencias no-drenadas de
las arcillas pueden ser estimadas en forma general con base en los resultados
de los ensayos de penetración estándar. En la siguiente figura se muestra la
variación entre la resistencia no-drenada, el N de penetración estándar y el
índice plástico (Terzaghi y otros, 1996). Esta relación no es muy precisa y
debe utilizarse con cuidado. El ensayo de penetración estándar no es confiable
para el análisis de la resistencia en arcillas saturadas.
En el siguiente esquema se muestra el procedimiento del ensayo
A continuación se muestran algunas correlaciones que se pueden obtener con los resultados del ensayo de penetración estándar
En el siguiente esquema se muestra el procedimiento del ensayo
Fuente: Manual on estimating soil properties for foundation design
CORRECCIÓN DE LOS VALORES DE N
El ensayo SPT es uno de los más
antiguos en geotecnia, y su uso universal y durante décadas, en todo tipo de
terrenos, ha permitido establecer numerosas correlaciones con otros parámetros
geotécnicos, así como cálculos directos de capacidad portante y asentamientos, ente
otros.
Inicialmente, el sistema de
elevación y caída de la maza era de tipo manual, mediante un sistema de poleas
y cuerdas. Evidentemente la energía de golpeo que suministraba este método, no correspondía al 100% de energía
teórica de una caída totalmente libre, ya que las pérdidas por rozamiento y
otros factores, restaban parte de la energía teóricamente disponible.
Esta energía teórica es de
63.5kg*gravedad*0.76m= 47.3 kg*m= 0.473 kN*m= 473 J.
Diversos estudios efectuados a lo
largo del tiempo (Seed et al., 1985; Skempton, 1986; Cestari, 1990), han
demostrado que los SPT realizados con el método antiguo, desarrollan una energía
del orden del 60% de la teórica.
A partir de la fecha citada,
empezaron a utilizarse sistemas automáticos de elevación y caída, con lo que el
rendimiento de la energía aumentó, ya que se eliminaron parte de la fricción y otras
pérdidas existentes con anterioridad. En cualquier caso, para el cálculo de
correlaciones con otros parámetros geotécnicos, se continúan aplicando las
mismas fórmulas desarrolladas con el método antiguo que proporciona el 60% de
la energía.
Resulta pues evidente, que si los
SPT modernos dan mayor energía, el golpeo N resultante debe corregirse por un
factor de energía, de manera que se obtenga un valor SPT normalizado, N60% de
manera que:
N60%= N*Er/60, siendo Er el porcentaje de energía de golpeo
obtenida con los métodos automáticos y N el valor SPT de campo.
Bosch & Ventayol Geoserveis
SL, fue una de las primeras empresas españolas en disponer en 1990, de un
equipo de golpeo SPT automático, y desde aquel momento ha sido consciente de la
necesidad de aplicar dicha corrección (Ventayol, 1999).
Existen también otras correcciones
al valor SPT, por factores como longitud de varillaje, presencia o no de camisa
interior metálica, y por el grado de confinamiento, todas ellas recogidas por
McGregor y Duncan (1998).
Utilizando los métodos propuestos
por Skempton (1.986), Bosch & Ventayol Geoserveis SL, dedujo ya en 1.994
que la energía suministrada por el equipo SPT automático, debía ser del orden
del 75% de la teórica, con lo que la corrección a aplicar, por el concepto
energía es de:
N60%=N*75/60= 1.25xN
MEDICIÓN DE LA ENERGÍA DEL SPT.
Se han podido efectuar ensayos
directos sobre dos máquinas de sondeo de golpeo automático, de forma similar a recientes
investigaciones (Sjoblom et al., 2007; Biringen and Davie, 2008).
El equipo está debidamente calibrado
por el fabricante, a través de entidades reconocidas por ILAC (International Laboratory
Accreditation Cooperation) donde también está ENAC, y por lo tanto tienen reconocimiento.
Paralelamente se ha instrumentado
una varilla de perforación (ver figura), que también fue equipada por Pile
Dynamics con unos acelerómetros y unos extensómetros.
Todos estos elementos
están también debidamente calibrados. Conociendo además el módulo de Young de
la varilla instrumentada y su sección transversal, el equipo PDA permite
conocer la energía real transmitida por los equipos automáticos de golpeo de
las sondas.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS.
La conclusión de los ensayos
realizados, son:
-En suelos granulares, la energía
medida crece desde el 65% de la teórica a 2.0 m de profundidad, a valores del
75% hacia los 6.0 m de profundidad, situándose en el entorno del 80% a partir
de los 10 m.
-En suelos cohesivos los
resultados son parecidos, si bien a partir de 20 m de profundidad, la energía
parece descender, si bien en esta franja de profundidades se dispone de sólo 2
medidas
En las siguientes figuras se muestra el equipo de perforación manual y de golpeo automático
Equipo de golpeo automático - Fuente: Manual on estimating soil properties for foundation design
Equipo de Perforación manual
C. Ensayo de penetración de cono
En el ensayo de cono se introduce
un cono con un ángulo utilizando una fuerza Q.
La resistencia al cortante es
obtenida por la relación:
qc = KQ/h2
Donde:
h2 = Altura del cono elevado al cuadrado
K = Constante que depende de Ø y de Q.
Con el valor de la resistencia a
la penetración del cono, se puede obtener el ángulo de fricción Ø o la cohesión, para lo cual existen
diferentes correlaciones.
La relación entre la resistencia
no-drenada y la resistencia de cono puede darse mediante la siguiente
expresión:
Su = (qc-σv)/Nk
Donde:
Su = resistencia no-drenada al
cortante
σv = presión geostática a la profundidad
de ensayo
* Nk = factor de cono (típicamente
igual a 14 + 5 para la mayoría de las arcillas)
La utilización del ensayo de cono
en suelos residuales es muy limitada, debido a la dificultad de penetración. Un
desarrollo relativamente reciente es el piezocono, el cual mide la presión de
poros, además de la resistencia no drenada.
Fuente: Manual on estimating soil properties for foundation design
D. Ensayos de Veleta
El ensayo de veleta se utiliza
para medir la resistencia al cortante no drenada en arcillas muy blandas o blandas.
Este ensayo se puede realizar en el laboratorio o en el campo. En el ensayo de
veleta se introduce una veleta en el suelo, se aplica un torque para producir
la falla a lo largo de una superficie cilíndrica. La resistencia al cortante se
obtiene igualando el torque al momento producido por los esfuerzos de cortante
sobre la superficie cilíndrica.
La resistencia al cortante de una
veleta de relación diámetro altura 1:2 está dada por la expresión:
= 6/7*(M/(3.1416*D3)
Donde:
M = Torque
D3 = Diámetro de la veleta elevado al cubo
Por ejemplo, una veleta de altura
de 100 mm., diámetro de 50 mm., puede ser utilizada para resistencias de 50 a
70 kPa. De acuerdo a Andresen (1981), este es el menor tamaño posible para
determinar la resistencia al cortante de arcillas blandas. Sin embargo,
Blight(1970) ha utilizado una veleta de altura de 38 mm, para obtener la
resistencia de suelos residuales duros.
Generalmente, la aplicación de
estos ensayos es limitada a suelos saturados cohesivos en condiciones no
drenadas, lo suficientemente blandos para permitir el hincado y rotación de la
veleta. Sin embargo, se han realizado ensayos de veleta en suelos con resistencia
pico hasta de 300 kPa (Blight 1969).
Los ensayos de veleta pueden
realizarse en el fondo de excavaciones pre-perforadas o empujando la veleta en
el suelo desde la superficie hasta la profundidad requerida. Este último
procedimiento es muy difícil de realizar en suelos residuales.
Los ensayos de veleta son muy
imprecisos y aunque existen fórmulas de corrección sus resultados deben analizarse
con prudencia. Sin embargo, en el ensayo de veleta utilizado conjuntamente con
otros ensayos puede ser una herramienta útil para diseño.
Fuente: Manual on estimating soil properties for foundation design
Fuente: Manual on estimating soil properties for foundation design
E. Presurómetro
El ensayo de Presurómetro también
se le utiliza con algunas modificaciones para obtener la resistencia al
cortante y las relaciones Esfuerzo – Deformación (Wroth, 1984). Pavlakis
(1983), presentó resultados de muy buena correlación entre el presurómetro y
los ensayos triaxiales no consolidados no drenados.
F. Prueba con dilatómetro
Fue desarrollada por Marchetti y de ahí el nombre de dilatómetro de Marchetti.
Consiste en la hinca de una paleta plana de acero inoxidable provista de una membrana circular expandible horizontalmente mediante gas a presión, PRUEBA DMT.
La hinca en el terreno se puede realizar con equipos de penetración estático o dinámica, utilizándose esencialmente el estático.
Para poder utilizar un equipo de penetración dinámica o una sonda deben estar adaptadas. El ámbito de aplicación del ensayo es tanto en suelos granulares de flojos a densos como cohesivos de blandos a muy duros.
El equipo DMT consta de los siguientes componentes:
- Paleta dilatométrica. - Conector electro-neumático (cable) - Unidad de control en superficie (centralita) - Unidad de presión (bombona de nitrógeno) - Sistema de empuje con varillaje (penetrometro o la sonda)
Antes de iniciar una prueba es necesario el calibrado de las membranas.
Las lecturas de campo A y B deben ser corregidas por los efectos de la rigidez propia de la membrana para determinar Po y P1. Los valores de ∆A y ∆B (correcciones) se leen en campo aplicando a la paleta una presión negativa mediante vacío y una presión positiva respectivamente. ∆A es presión exterior que debe ser aplicada a la membrana al aire libre para que se mantenga en reposo sobre su apoyo ∆B es la presión interna necesaria para desplazar la membrana 1,1 mm. Los valores obtenidos A y B hay que aplicarles la corrección ∆A y ∆B para obtener Po y P1.
Po = -1,05 (A-Zm-∆A) – 0,05(B-Zm-∆B)
Zm es la eventual diferencia del cero en la lectura manométrica debida a la presión atmosférica. Normalmente Zm=0
P1 = B – Zm – ∆B
Con los valores Po y P1 junto a la cota del nivel freático se obtienen los tres parámetros intermedios característicos de la prueba dilatométrica.
Los tres parámetros básicos que se obtienen con este ensayo son:
Id: Material Index, relacionado con el tipo de suelo.
Kd: Horizontal Stress Index, relacionado con la razón de sobreconsolidación del suelo
(OCR)
Ed: Dilatometer Modulus, determinado a partir de la teoría de la elasticidad
El ensayo dilatométrico es el único ensayo geotécnico in situ, que permite obtener este parámetro de forma directa. Además se pueden inferir mediante correlaciones empíricas otros parámetros como ángulo de rozamiento interno en arenas, cohesión sin drenaje para arcillas, etc.
Fuente: Manual on estimating soil properties for foundation design
G. Exploraciones Geofísicas
Hasta aquí se han mencionado las principales pruebas mecánicas de campo (DP, SPT, CPT, PMT, DMT). A partir de la década de 1960, en el campo de la geotecnia se han ido incorporando gradualmente diversas pruebas geofísicas, principalmente las de tipo sísmico y eléctrico.
El incremento en el uso de métodos
geofísicos para caracterización de suelos es tal, que las memorias de la 2a
Conferencia Internacional sobre Caracterización las titularon: “Caracterización
Geotécnica y Geofísica en Campo” (da Fonseca y Mayne, 2004). Ahí se presentaron
36 artículos relacionados con el empleo de métodos geofísicos en la geotecnia,
que representó el 16% de los trabajos presentados.
En las pruebas geofísicas sísmicas
se trabaja con la propagación de las ondas elásticas y en las pruebas
eléctricas con ondas electro-magnéticas. Estas pruebas se pueden usar tanto en
campo como en laboratorio y proporcionan información complementaria a cerca de
los suelos, que equivale a “verlos” y “oirlos” (Santamarina et al., 2001).
Las pruebas geofísicas sísmicas de
campo que principalmente se usan en geotecnia son: refracción sísmica,
downhole, crosshole y diversos métodos de onda de superficie. Las tres primeras
se han usado desde la década de 1970, mientras que las ondas de superficie a
partir de 1980.
Con estas pruebas, se obtiene el valor de resistencia al corte y ángulo de fricción de una manera indirecta y aproximada, ya que la velocidad de onda de cortante se correlaciona con los valores de N, en el ensayo de penetración estándar y este a su vez con la resistencia al corte no drenada en los suelos cohesivos y el ángulo de fricción en los granulares.
PRUEBA DE REFRACCIÓN SÍSMICA
La prueba de refracción sísmica
consiste en colocar varios sensores (geófonos) a lo largo de una línea, y en un
punto se genera vibración. Los geófonos se conectan a un sismógrafo, en donde
se registra la llegada de las ondas elásticas.
Conocida la distancia desde la
fuente de vibración hasta los geófonos y el tiempo, que se obtiene de los
sismogramas, es posible determinar la velocidad de propagación de las ondas.
Fuente: Zer Geosystem Peru
Con la refracción sísmica se
determina la velocidad de ondas primarias o de compresión (VP), pero es muy
difícil evaluar la velocidad de ondas secundarias o de corte (VS). Además, sólo
es posible detectar estratos con rigideces progresivamente mayores con la
profundidad.
La refracción sísmica se utiliza
generalmente para encontrar la profundidad de la roca y para estimar el proceso
de excavación de suelos y rocas.
PRUEBA DE DOWNHOLE
Con esta prueba downhole se pueden
determinar velocidades de ondas primarias (VP) y secundarias (VS). El procedimiento
es el siguiente:
- Realizar una perforación hasta determinados metros de profundidad revestida con una tubería de PVC de por lo menos 2” de diámetro interno.
- Realizar dos golpes en los extremos de una viga, registrar la llegada de las ondas de corte a la profundidad deseada y repetir este procedimiento metro a metro hasta alcanzar la profundidad final de la perforación.
- Identificar los tiempos de llegada de las ondas de corte a diferentes profundidades.
- Las señales registradas por el sensor triaxial son transformadas a señales mecánicas mediante un sismógrafo y son leídas posteriormente por el programa PS-Log de Geogiga.
- Construcción de la estructura de la velocidad de onda de corte en profundidad.
1. Computador para almacenamiento y recepción de datos.
2. Controlador de sonda.
3. Sonda con geófono de 3 componentes (X,Y,Z) (Geófono Triaxial)
4. Cable de 100 m de longitud.
5. Martillo
6. Sismógrafo
7. Viga para generación impactos laterales.
Este método es muy preciso y permite identificar el valor de la velocidad de onda de corte de los diferentes estratos con gran exactitud. Sin embargo para su correcta interpretación se requiere de registros sísmicos muy limpios con muy bajo ruido y un acople excelente entre el suelo y la tubería.
ENSAYO DE CROSSHOLE
Los ensayos CS (Crosshole Seismic)
se realizan para proporcionar información sobre las propiedades dinámicas de
suelos y rocas, diseño y análisis de estructuras contra terremotos, estudios de
potenciales de licuefacción, despegue de asentamientos y diseños de cimientos
sometidos a cargas dinámicas. Los ensayos e investigación determinan perfiles
de velocidad ondas de compresión y cizalla frente a profundidad.
Otros parámetros, tales como los
cocientes y módulos de Poisson, se pueden determinar fácilmente a partir de las
mediciones de velocidad de ondas de compresión y corte (cizalla).
Adicionalmente, se puede determinar el
amortiguamiento del material a partir de los ensayos CS. Además de los ensayos
CS se pueden realizar ensayos Downhole Seismic (DS), que requieren un solo
sondeo.
El método Crosshole Seismic es un
método de ensayo que permite determinar las propiedades de suelos y rocas. Se
hace descender por una de las perforaciones una fuente capaz de generar ondas
de compresión y corte, y se hace descender una pareja de receptores geófonos de
3 componentes iguales (geófonos triaxiales) a la misma profundidad, en 2
perforaciones adicionales realizadas a incrementos iguales de separación
(típicamente a 3 y 7 metros desde la perforación origen) en línea, como se ve
en la fotografía. Los receptores se fijan al lateral de las paredes de la perforación
para permitir la detección del paso de las ondas de compresión y corte.
Acceso
y Requerimientos
Los ensayos CS requieren la realización de dos o mas (típicamente, tres)
sondeos / perforaciones. Las perforaciones son por lo general de 3-4 pulgadas de
diámetro, revestidas de PVC y enlechadas para asegurar una buena transmisión de
la energía de la onda. Las pruebas se simplifican si se utiliza un inclinómetro
con caja en lugar de tubo de PVC. Las distancias típicas entre dos
perforaciones adyacentes son del orden de 3 metros, esta distancia puede estar
muy condicionada en función del tipo de material.
Las perforaciones / sondeos para el receptor se hacen a la profundidad
total a investigar. Para ensayos que utilicen una cuchara de separación (ej,
toma muestras) como emisor, el sondeo avanza a medida que se definen los
intervalos de medida requeridos (intervalos iguales de 60-150 centímetros) y
estos son ensayados. Si se usa una fuente con un percutor acoplable a la pared
de la perforación, entonces la perforación del emisor se puede perforar a la
profundidad total a investigar, antes de la prueba.
Recolección
de Datos
En un ensayo CS el emisor se desciende a la profundidad de medición en
el sondeo, este debe ir avanzando a medida que avanza el sondeo, para
posteriores ensayos, simultáneamente se descienden uno o dos receptores
(geófonos triaxiales) a la misma profundidad por las otras perforaciones. Se
acoplan unas barras de orientación al emisor y al receptor, a no ser que se
utilicen inclinómetros con camisa. La fuente es activada en superficie para
generar las ondas de corte y compresión. En algunos casos, cuando se utiliza un
toma muestras como fuente, la parte superior de las barras del emisor se
golpean con un martillo instrumentado (o se dispara el emisor del interior de
la perforación) para generar ondas de corte y/o compresión con energía suficiente.
La componente vertical del receptor se usa para capturar las ondas de corte
polarizadas verticalmente (SV). La energía polarizada se genera en ambos
sentidos de esta forma hay una duplicidad de datos que nos permite medir la
llegada del corte de forma efectiva. La componente radial detecta las ondas de
compresión propagándose (P) y la componente tangencial detecta las ondas de
corte propagándose horizontalmente (SH). El valor de entrada del martillo y/o
la fuente PS-V, y la salida del receptor se registran en el Freedom NDT. Se
continua el sondeo hasta la siguiente profundidad de medida y se sitúa el
emisor (o se desciende el emisor hasta la siguiente profundidad de medida) y el
proceso continua hasta que realizan todas las medidas deseadas.
En una investigación DS, la fuente típica es un martillo que golpea un
tablón en la superficie y requiere sólo un sondeo. Los geófonos triaxiales,
separados unos tres metros, se descienden juntos en el sondeo (Downhole). La
fuente (martillo) genera ondas de corte y compresión que son registradas por el
/ los geófonos. La componente vertical del receptor se utiliza para capturar
ondas de compresión que se propagan verticalmente (P) y la componente radial
las ondas de corte polarizadas horizontalmente (SH).
Comparado con los métodos de superficie, el ensayo CS es el método más
preciso para determinar las propiedades de lugares con suelo y roca. Con el
método se pueden detectar estratos delgados de baja velocidad que se encuentren
entre estratos de velocidad alta, cosa que no es posible con métodos de superficie
como el Análisis Espectral de Ondas de Superficie (SASW) o con Pruebas de
Estudio de Difracción. Además, la precisión y resolución del método CS son
constantes a cualquier profundidad de prueba, mientras que las de los métodos de
superficie disminuyen con la profundidad.
En aquellos casos en los que realizar 2 ó 3 sondeos sea costoso o no sea
posible se pueden realizar ensayos de Downhole. Cuando se trabaje con rocas no
será preciso que los sondeos estén entubados
Velocidad de onda de corte (Vs)
La determinación de la velocidad
de propagación de las ondas de corte (VS) es de gran utilidad en la geotecnia,
ya que con este valor se puede: 1) determinar el módulo de rigidez al esfuerzo
cortante (G), 2) inferir densidad en campo, 3) estimar el estado de esfuerzos,
4) estimar la cementación natural o 5) evaluar la alteración de una muestra
(Stokoe et al., 1989).
En donde: ρ = densidad; Vs =
velocidad de onda de corte.
Como las deformaciones causadas
por las pruebas geofísicas son muy pequeñas, el módulo de cortante que se
obtiene con la VS determinada con dichas pruebas viene siendo el valor máximo
(Go), y sufre una degradación mayor o menor, dependiendo del suelo y de la
deformación inducida. Este tipo de comportamiento de materiales se le conoce
como elástico no-lineal, está asociado con suelos y rocas blandas, y se ha
avanzado mucho en la comprensión de este fenómeno especialmente en los últimos
años (Matthews et al., 1996), por lo que los valores de VS y Go tienen
aplicaciones tanto para análisis geotécnicos tanto estáticos como dinámicos.
La velocidad de onda de corte (VS)
que se obtiene en las diversas pruebas geofísicas, es la que corresponde a
deformaciones angulares pequeñas (10-4%). Por esta razón, el módulo
de rigidez al cortante que se puede calcular partiendo de esta velocidad es el máximo o inicial y se simboliza como Go o G máx.
Tradicionalmente en el campo de la
geotecnia se ha considerado que el módulo de cortante máximo (Go) se puede
utilizar únicamente en problemas dinámicos, como cimentación de maquinarias o
sismos de muy bajas magnitudes. Sin embargo, investigaciones realizadas en los
últimos veinte años (Jardine et al.,1986; Batagglio y Jamiolkowsky, 1987;
Burland, 1989; Fahey y Carter, 1993;Mayne, 2001) han demostrado que valores de
Go corregidos para niveles de deformación apropiados, pueden ser de utilidad
para problemas geotécnicos estáticos, como es el diseño de cimentaciones.
Las resistencias a la penetración
estándar, se obtienen mediante las velocidades de onda de corte (VS), utilizando
la ecuación propuesta por Ohta y Goto (1978):
En donde: N: resistencia a la
penetración estándar; D: profundidad en metros.
Con los valores de N, se obtiene
la resistencia al corte no drenada y el ángulo de fricción, tal como se explica
en la prueba SPT.
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTANTE EN EL LABORATORIO
Para obtener los parámetros de
resistencia al cortante se pueden realizar ensayos de resistencia de
laboratorio o de campo o se pueden utilizar correlaciones empíricas a partir de
ensayos indirectos u otras propiedades de los suelos. Los ensayos de
laboratorio más comunes para el diseño de presas de tierra, son los ensayos de
Compresión triaxial y de Corte Directo.
A. Ensayo Triaxial
El equipo de ensayo Triaxial es
muy versátil y permite realizar ensayos en una variedad de procedimientos para
determinar la resistencia al cortante, la rigidez y características de
deformación de las muestras. Adicionalmente, el ensayo puede realizarse para
medir características de consolidación y permeabilidad.
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Triaxial - Laboratorio Universidad del Valle
Se ensayan muestras cilíndricas
dentro de una membrana delgada de caucho, colocándolas dentro de una celda
triaxial con dos tapas rígidas y pistones arriba y debajo de la muestra. La
celda se llena de un fluido especial, se aplica una presión determinada sobre
el fluido ( s3),
la cual se transmite por éste a la muestra. Los esfuerzos de cortante se
aplican mediante fuerzas de compresión verticales accionadas por los pistones.
La presión de poros dentro de la muestra puede medirse a través de un pequeño
tubo o bureta en contacto con la muestra. Para cada presión de confinamiento se
obtiene el esfuerzo desviador, que se requiere para hacer fallar la muestra.
El drenaje de la muestra se
realiza a través de las piedras porosas y el cambio de volumen de agua puede
medirse. Alternativamente, si no se permite drenaje, se puede medir la presión
de poros. Realizando varias pruebas se puede obtener la envolvente de Mohr para
un suelo determinado.
El comportamiento
Esfuerzo–deformación es determinado por la presión de confinamiento, la
historia de esfuerzos y otros factores. El ensayo también puede realizarse
incrementando los esfuerzos radiales mientras se mantiene constante la fuerza
axial.
En algunos países del mundo el
ensayo Triaxial es el más utilizado, por la posibilidad de modelar las
condiciones de drenaje y la medición de presión de poros en suelos saturados.
Pre-saturación de la muestra
Es muy importante en los ensayos
triaxiales y en general en los ensayos de resistencia al cortante el garantizar
que la muestra se encuentre saturada durante la totalidad del ensayo. Puede
tomar entre 2 horas a un día el proceso completo de saturación dependiendo del
tipo de suelo. Se debe asegurar que el aire no se acumule entre la muestra y la
membrana de caucho. Durante la saturación se pueden requerir presiones de
confinamiento para ayudar en el proceso, pero estas presiones se deben mantener
a un nivel bajo para evitar pre consolidar la muestra.
Tipos de ensayo Triaxial
Generalmente existen cuatro formas
de realizar el ensayo Triaxial así:
a. Ensayo inconfinado no-drenado
La muestra se coloca dentro de la
cámara para ensayo triaxial sin membrana de caucho. No se coloca presión de
confinamiento, pero la muestra debe encontrarse saturada. La rata de
deformación generalmente se trabaja al 2% de la longitud axial de la muestra
por minuto. Este ensayo solo es posible realizarlo para suelos arcillosos y se
obtiene la resistencia al cortante no drenada inmediata (Su). No es posible
realizar el ensayo en arcillas fisuradas o con cohesión muy baja.
b. Ensayo No consolidado - No drenado o ensayo rápido (UU)
No se permite el drenaje durante
la aplicación de la presión de confinamiento y el esfuerzo desviador. Este
ensayo se le utiliza para modelar, el caso de un terraplén o una carga colocada
muy rápidamente sobre un manto de arcilla saturada, de muy baja permeabilidad.
Este ensayo se realiza a una rata de deformación relativamente rápida.
Generalmente se utiliza una
presión de confinamiento igual a la presión geostática que actúa sobre el suelo
en el campo. Este ensayo se le conoce como ensayo rápido.
c. Ensayo Consolidado no drenado, con medición de presión de poros (CU)
Se permite el drenaje durante la
aplicación del esfuerzo de confinamiento colocándolo lentamente, pero se impide
durante la aplicación del esfuerzo desviador.
Los ensayos no drenados deben
realizarse a una rata que no exceda una deformación unitaria del 2% por hora,
con el objeto de lograr una ecualización completa de la presión de poros a
través de la muestra. Las lecturas se toman cada medio porcentaje de
deformación o en forma continua. Este ensayo se le conoce como ensayo R. Se le
emplea para simular el caso de desembalse rápido de una represa o la colocación
rápida de un terraplén sobre un talud.
d. Ensayo Consolidado drenado (CD)
El ensayo se realiza lentamente
para permitir el drenaje del agua dentro de la muestra e impedir que se puedan
generar presiones de poros.
Los ensayos drenados son
generalmente, preferidos para ensayos rutinarios (Geotechnical Engineering
Office, 1979), debido a la facilidad de su ejecución y son los más utilizados
para el análisis de laderas y taludes.
La velocidad de ensayo debe ser
tal, que las fluctuaciones en la presión de poros sean despreciables y en
cualquier caso no superiores al 5% de la presión efectiva de confinamiento.
Este ensayo se le conoce como ensayo S o ensayo lento.
De acuerdo al tipo de ensayo se
obtiene un valor diferente de ángulo de fricción. En general, el ensayo
consolidado drenado presenta ángulos de fricción mayores, mientras el ensayo No
consolidado - No drenado da los valores mínimos de Ø (Winterkorn y Fang – 1991).
En la interpretación de resultados
de ensayos Triaxiales debe tenerse en cuenta las siguientes fuentes de error:
a. Las muestras tienden a deformarse como un barril, lo cual
conduce a sobreestimación de la resistencia al cortante.
b. En el proceso de saturación, la muestra tiende a alterarse por
cambio de volumen, lo cual puede determinar una pérdida de resistencia.
Variables del ensayo Triaxial
Los resultados que pueden ser
obtenidos del ensayo Triaxial dependen del tipo de ensayo y del equipo
disponible y se pueden obtener los siguientes resultados:
a. La envolvente de falla con el
ángulo de fricción y la cohesión pico.
b. La respuesta de presión de
poros al corte (Ensayos no drenado).
c. La respuesta de cambio de
volumen al corte (ensayo drenado).
d. Módulos tangente y secante
inicial o los correspondientes de descarga y recarga.
e. Las características de
consolidación.
f. La permeabilidad a diferentes
presiones de confinamiento.
Tamaño de la muestra
Para ensayar suelos residuales, el
diámetro de la muestra no debe ser menor de 76 mm., debido a que diámetros
menores no se consideran representativos para tener en cuenta los efectos de
escala, relacionados con las fisuras y juntas en el suelo.
Adicionalmente, el diámetro no
debe ser menor de 8 veces el tamaño máximo de la partícula. La relación largo –
diámetro no debe ser menor de 2 – 1.
Consolidación antes del Corte
La muestra es consolidada o no
consolidada, de acuerdo al tipo de ensayo que se realice. En suelos saturados
(arcillas y limos) para una serie de ensayos a la misma profundidad, la
resistencia a la compresión para ensayos no consolidados no drenados, se
encontró que es independiente de la presión de la celda, con excepción de las
arcillas fisuradas.
Algunas causas de error en el
ensayo Triaxial Fell (1987) indica una serie de errores comunes que se cometen
en el manejo del ensayo Triaxial:
a. Ensayo a un nivel muy alto de
esfuerzos
La envolvente del círculo de Mohr
tiene una forma curva y si se trabaja con niveles altos de esfuerzos se puede
sobreestimar la resistencia para el caso real de esfuerzos menores; por
ejemplo, para esfuerzos de confinamiento entre 100 y 400 kPa, las resistencias
se pueden sobreestimar hasta en un 300 %. Por lo tanto, es importante que el
ensayo Triaxial se realice al nivel de esfuerzos de confinamiento reales en el
talud analizado.
b. Saturación incompleta
Comúnmente, las muestras
inalteradas no son ensayadas con saturación total debido a que por gravedad es
difícil obtener la saturación. El resultado es un aumento en el valor de la
resistencia de laboratorio, comparativamente con la resistencia real en campo,
para el caso saturado.
c. Ensayo a una rata muy alta de
deformación
Las ratas altas de deformación no
permiten disipar la presión de poros en el ensayo consolidado drenado.
B. Ensayo de superficie ancha plana
En deslizamientos es común que el
ancho del deslizamiento sea mayor que su profundidad. En estos casos la falla
ocurre por cortante en una superficie plana de deformaciones. Por esta razón,
algunos autores (Cornforth, 2005) recomiendan realizar ensayos en superficies
anchas planas. Aunque no existen equipos comercialmente disponibles para estos
ensayos, algunos laboratorios en EEUU e Inglaterra, disponen de estos equipos
el cual fue desarrollado inicialmente por Bishop.
C. Ensayo de Corte Directo en caja
En el ensayo de corte directo en
caja se coloca una muestra dentro de una caja partida en dos mitades de forma
rectangular, cuadrada o circular. Para realizar el ensayo una de las dos
mitades se mueve con respecto a la otra mitad y el suelo se rompe a lo largo
del plano entre los dos elementos de la caja. Este ensayo es el más común para
obtener la resistencia de los suelos en los estudios de deslizamientos. Este
ensayo es simple y económico de realizar pero presenta los inconvenientes del
poco control que se tiene sobre las condiciones de drenaje, la dificultad para
medir presiones de poro y algunos problemas inherentes a los mecanismos de las
máquinas que realizan los ensayos.
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Corte directo - Universidad del Valle
Las ventajas de los ensayos de Corte Directo son su facilidad de
ejecución, la cual permite la realización de una cantidad grande de pruebas en
poco tiempo y la posibilidad de realizar ensayos sobre superficies de
discontinuidad.
En presas de tierra el ensayo de
Corte Directo es de obligatorio uso, cuando se trabaja a niveles bajos de
esfuerzos o si se desea obtener la resistencia a lo largo de las
discontinuidades.
En este ensayo la resistencia al
cortante puede medirse en un plano predeterminado, cortando la muestra con una
determinada orientación. La superficie de falla es predefinida y no depende de
las propiedades del suelo, y por esta razón los valores de resistencia
obtenidos tienden a ser mayores que en los ensayos triaxiales.
La muestra se coloca en una caja
compuesta por dos anillos, uno superior y otro inferior, los cuales pueden
desplazarse horizontalmente el uno con respecto al otro al aplicarse una fuerza
de cortante. Las muestras no pueden saturarse completamente pero un grado de
saturación relativamente alto se puede obtener sumergiendo la muestra en agua
por un periodo largo de tiempo, antes del ensayo. Sin embargo, debe tenerse
mucho cuidado con los efectos de saturación sobre algunos materiales,
especialmente los suelos expansivos.
Se dibuja una curva
esfuerzo-deformación para cada ensayo, en la cual se determinan los valores de
la resistencia máxima y la resistencia residual. Se realizan varias pruebas
para el mismo tipo de suelo con diferentes presiones normales y se dibuja la
envolvente de falla para obtener gráficamente los valores de cohesión y ángulo
de fricción. Se recomienda un mínimo de cinco pruebas para cada tipo de suelo.
Ensayos con deformación controlada
o con esfuerzo controlado El esfuerzo de corte puede ser aplicado incrementando
los esfuerzos en forma gradual y midiendo la deformación producida (Esfuerzo
controlado) o moviendo las partes del equipo a un desplazamiento dado y
midiendo el esfuerzo resultante (deformación controlada). Los ensayos de
Esfuerzo controlado no son comunes; sin embargo son convenientes en el caso de
que se requiera una rata de desplazamiento muy baja y cuando se desea conocer
el comportamiento de los suelos a la reptación. Este tipo de ensayo no puede
determinar el esfuerzo pico y la resistencia residual en forma precisa.
El ensayo de deformación
controlada es más fácil de efectuar y permite obtener la resistencia última y
la resistencia residual.
Rata de Corte
La rata de corte depende de las
condiciones de drenaje a las cuales se requiere realizar el ensayo y por lo
tanto a la permeabilidad de la muestra.
La naturaleza del ensayo de Corte
directo generalmente, no permite obtener una condición completamente drenada o
completamente no drenada en un ensayo a una rata constante de corte. Sin
embargo, en la práctica es posible seleccionar una rata de deformación tal, que
la desviación con las condiciones reales no es significativa. Head (1982)
recomienda un tiempo de falla para un ensayo de Corte drenado:
tf = 12.7 t100
Donde t100 es el tiempo
correspondiente al 100% de la Consolidación primaria.
La Normas ASTM D 3080 recomienda
tf = 50 t50
Donde t50 corresponde al 50% de la
Consolidación primaria. Una vez determinado el tf, la rata de corte puede ser
estimada conociendo aproximadamente el desplazamiento horizontal para la
resistencia pico.
Para suelos residuales de granito
Cheung (1988) encontró que no había diferencias en los parámetros de
resistencia obtenidos para ratas de deformación entre 0.007 y 0.6 mm por
minuto. Una velocidad máxima de 0.08 mm/minuto se considera apropiada para
ensayos drenados de suelos residuales.
Cargas normales
Las cargas normales que se deben
utilizar en el ensayo deben incluir los esfuerzos máximos que se suponen
ocurren en el terreno. Al menos, deben realizarse ensayos con cuatro cargas
diferentes para definir una envolvente de falla.
En suelos no cohesivos la
envolvente de falla generalmente, pasa por el origen pero con suelos
relativamente cementados debe haber un intercepto de cohesión. Si esta
componente cohesiva es de importancia en la aplicación de ingeniería a analizar,
debe realizarse ensayos con cargas normales muy pequeñas sobre muestras
inalteradas, manejadas con mucho cuidado para evitar alteraciones.
Densidad de la muestra
Cuando se realicen ensayos para
analizar taludes de rellenos compactados, tal como sucede en las presas de
tierra, se debe definir lo más preciso posible la densidad a la cual se debe
ensayar la muestra, de acuerdo a la densidad del relleno.
Desplazamiento máximo
En ensayos con deformación
controlada generalmente, se requiere conocer la resistencia residual. En ese
caso, una forma es realizar un ensayo devolviendo la muestra después de pasar
por la resistencia pico.
Si no se requiere obtener la
resistencia residual, el ensayo puede detenerse después de pasar la resistencia
pico pero en ningún momento menos de 10 mm. Si el suelo no muestra resistencia
pico por tratarse de un material muy blando, un desplazamiento de 15 mm. es
suficiente.
Tamaño de la muestra
Las cajas para corte son
comúnmente cuadradas pero las hay también circulares. En las cajas cuadradas es
más fácil tener en cuenta la reducción de área durante el ensayo. Las
dimensiones típicas para la caja cuadrada son 60 mm o 100 mm y en algunos casos
hasta 300 mm o más. En las cajas circulares los tamaños comunes son 50 y 75 mm.
El tamaño máximo de la partícula
de suelo determina el espesor de la muestra (Cheung,1988). De acuerdo a la Norma ASTM
D3080 se deben tener en cuenta las siguientes indicaciones:
a. El espesor de la muestra debe ser al menos seis veces el tamaño
máximo de los granos de suelo y no menos de 12.5 mm.
b. El diámetro de la muestra (o
ancho) debe ser al menos dos veces el espesor.
La especificación China para
ensayos geotécnicos recomienda un espesor de 4 a 8 veces el tamaño de grano y
un diámetro 8 a 12 veces el tamaño máximo de grano. Cheung (1988) encontró que
una muestra cuadrada de 100 mm y espesor de 44 mm era adecuada para ensayar un
suelo residual de granito, con máximo tamaño de grano de 8 mm. Al utilizar
tamaños menores, las curvas esfuerzo-deformación eran irregulares.
El tamaño de la muestra es muy
importante para el ensayo de suelos residuales. Por ejemplo, Garga (1988)
encontró que para un suelo residual de basalto denso fisurado, si se utilizaba
una caja de 500 mm por 500 mm y altura de 290 mm, la resistencia era 1.5 a 3
veces menor que en un ensayo Triaxial de 36 mm de diámetro, en el rango de
esfuerzos entre 50 y 350 kPa.
D. Ensayo de corte directo en anillo
Este ensayo consiste en la
colocación de un esfuerzo de cortante hasta la falla de una muestra de suelo en
forma de anillo. La fuerza que se aplica consiste en un torque y el
desplazamiento es circular. La mayor ventaja de este ensayo
comparada con el ensayo tradicional de corte directo en caja, es que el
movimiento de cortante es continuo hasta llegar a la condición residual. Este
equipo no se encuentra disponible comercialmente.
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E. Ensayo de Compresión simple
El ensayo de Compresión simple es
un ensayo de compresión de una muestra cilíndrica con una relación diámetro
longitud 1 : 2. La muestra es comprimida axialmente hasta que ocurre la falla.
La resistencia al cortante se asume que es igual a la mitad de la resistencia a
la compresión.
Este ensayo es utilizado con
frecuencia para conocer la resistencia no drenada de suelos cohesivos.
Compresión Inconfinada - Laboratorio UNIVALLE
Debe tenerse en cuenta que los
resultados son expresados en términos de esfuerzos totales, debido a que no se
mide ningún tipo de presión de poros y los ensayos en limos o arenas no tienen
ninguna validez. El ensayo es solo aplicable a suelos cohesivos que no permiten
la salida de agua durante el proceso de carga.
Generalmente, el valor de la
resistencia no drenada se supone igual a la mitad del valor de la resistencia
inconfinada.
Su
= ½ qu
En todos los casos, debido a las
incertidumbres asociadas con el ensayo, el muestreo y su preparación, esta
prueba de laboratorio solamente puede utilizarse como un estimado aproximado de
la resistencia en el sitio.
F. Ensayo de penetrómetro de bolsillo
El penetrómetro manual o
penetrómetro de bolsillo es un pistón cargado por un resorte de ¼” de diámetro
el cual se entierra ¼” dentro de la superficie de una arcilla. Como la arcilla
de acuerdo a su resistencia resiste la penetración del pistón, se registra la
resistencia al cortante no drenada del suelo. Algunos penetrómetros están
calibrados para la resistencia de la compresión inconfinada equivalente a dos
veces la resistencia al cortante C. La penetración tiene que darse suavemente y
es más confiable en arcillas medianamente duras. En arcillas muy duras o
frágiles la penetración rompe el suelo y el resultado no es confiable. En
arcillas blandas no hay suficiente resistencia para que se registre en el
medidor del penetrómetro. Los penetrómetros de bolsillo pueden utilizarse tanto
en el campo como en el laboratorio y se obtiene una medida relativamente
“cruda” de la resistencia, dependiendo en buena parte de la forma como el
operador realice el ensayo. Los datos de penetrómetro de cono no es recomendable
utilizarlos para cálculos de estabilidad sino solamente para describir los
materiales.
G. Ensayo de “Torvane”
El torvane es una cabeza de forma
circular con una serie de veletas organizadas radialmente alrededor de la
circunferencia.
Las veletas del torvane se
penetran dentro del suelo y se aplica un torque a través de un resorte
calibrado hasta que la arcilla falla. La lectura muestra la resistencia al
cortante no-drenada. El torque debe aplicarse muy lentamente. El torvane generalmente
tiene dos cabezas diferentes, una para arcillas duras y otra para arcillas
blandas.
El torvane es más confiable para
arcillas blandas que para arcillas duras, debido a que al penetrar las veletas
se puede romper la arcilla localmente.
DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL CORTANTE EN LA OFICINA
En las exploraciones para
determinar el material de préstamo, para la construcción de una presa de
tierra, se usan tablas a nivel de anteproyecto, con el fin de determinar la
resistencia y compresibilidad de los materiales identificados geológicamente.
Así para el enrocamiento, se
considera el tipo de roca y la granulometría esperada, para buscar en tablas la
resistencia al corte y la compresibilidad, correspondiente al estado de
esfuerzos en el prototipo y la compactación especificada. También para
facilitar la búsqueda de datos aproximados se han construido gráficas que
relacionan los esfuerzos principales para la falla (s1/s3), determinados mediante pruebas de compresión triaxial
en función de la rotura de granos, clasificados en dos grupos: El primero para
enrocamientos bien graduados y el segundo para los de granulometría uniforme,
en ambas gráficas se han trazado las fronteras superior e inferior que
contienen los datos experimentales y la curva media.
Igualmente existen
gráficas que muestran la correlación entre el módulo de deformación para
ensayos de compresión unidimensional (Moc) y la rotura de granos, que depende
del tipo de enrocamiento y el nivel de esfuerzos al que estará sometida. Es
conveniente apoyarse en la curva media y
observar los materiales que están en su proximidad, a fin de mejorar la
selección de valores. La proposición anterior debe usarse con cautela, pues es
limitado el número de materiales ensayados; particularmente en enrocamientos
deben esperarse desviaciones importantes, tanto en lo que se refiere a su
clasificación como a las propiedades buscadas. Además, al seleccionar los datos
para un proyecto es necesario tener presente el efecto de escala.
A continuación se muestran algunas
tablas y figuras empleadas para determinar la resistencia al corte de rocas,
que se emplean para enrocados
CORRELACIONES ENTRE LA RESISTENCIA AL CORTE Y EL ESFUERZO EFECTIVO
La resistencia al corte sin drenaje se puede considerar como una resistencia ( Shear), Su, o directamente como una cohesión, Cu.
La gran mayoría de los diseños y dimensionamientos, consideran la resistencia al corte sin drenaje, como una de las propiedades más importantes del suelo, ya que la aplicación de las cargas se hace en condiciones no drenadas (a corto plazo) y esta se considera la hipótesis más desfavorable. Pero a pesar de ser tan importante la resistencia al corte sin drenaje, no es algo propio del suelo, pues depende de la humedad y del historial de tensiones, así pues, que adoptar un valor incorrecto, puede ser riesgoso. No obstante hay algo que es casi intrínseco y es su relación con la tensión actuante, aunque la relación estrictamente teórica se basa en considerar ciertas hipótesis, que el suelo se empeña en no cumplir, como material hiperelástico, deformación plana, régimen plástico y corto plazo.
La solución teórica considera las ecuaciones de Hooke e imponiendo una hipótesis de deformación plana, se llega a una expresión de la siguiente forma:
K = μ/(1-μ)
Si esta expresión se aplica al caso de un elemento de suelo cohesivo,
tomado a una profundidad Z cualquiera, a corto plazo y en régimen plástico, se
obtiene lo siguiente:
Para valores habituales del coeficiente de Poisson entre 0.20 y 0.35,
esta relación, también llamada resistencia al corte sin drenaje normalizada (normalized undrained shear strength),
proporciona valores comprendidos entre 0.23 y 0.37, similares a los obtenidos
en algunos estudios.
Pero los suelos que nos encontramos en la vida real, no siempre son
homogéneos, la composición es variable, por lo que estas relaciones se han
mejorado, teniendo en cuenta la humedad, plasticidad, ángulo de fricción
interno, la razón de preconsolidación (OCR), etc
CORRELACIONES PARA ESTIMAR LAS PROPIEDADES DEL SUELO
Con el manual de EPRI de correlaciones geotécnicas, el cual se adjunta en el enlace, se obtienen casi todas las propiedades del suelo.
COMENTARIO
Con el manual de EPRI de correlaciones geotécnicas, el cual se adjunta en el enlace, se obtienen casi todas las propiedades del suelo.
COMENTARIO
La variación en los resultados, se debe a muchas razones: La
variabilidad del suelo, el porcentaje de finos, el tipo de arcilla, la
alteración de la muestra durante la perforación y extracción, el historial de
tensiones y muy importante también, el ensayo con el que calculemos Cu, ya que
no se obtienen los mismos valores con un ensayo in situ, que con un triaxial,
un corte directo o una resistencia a la compresión inconfinada.
Las correlaciones sirven para.
a.
Tener
una idea aproximada de los valores que deberíamos obtener y saber si vamos por
el camino correcto, pues diferencias muy altas, respecto de los valores
esperados, pueden indicarnos la presencia de zonas preconsolidadas o
infraconsolidadas, rellenos, cambios del nivel freático, desecación, etc
b.
Para
tanteos preliminares, en lugares de difícil
acceso o materiales en los que el costo de la obtención y análisis de
las muestras resulte muy elevado.
c.
Para
comprobar si los datos han sido manipulados
No obstante, el uso de datos obtenidos por correlaciones, es más o menos
correcto dependiendo de:
a.
El
mayor o menor conocimiento que se tenga de la materia
b.
La
trascendencia y responsabilidad de lo que se calcula con estos datos
c.
La
normativa existente.
Excelente !!Gracias!!
ResponderEliminarcomo lo puedo citar?????
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