Refuerzo de estructuras terreas utilizando tereftalato de polietileno (PET)

99  11  Descargar (0)

Texto completo

(1)

REFUERZO DE ESTRUCTURAS TERREAS UTILIZANDO TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET)

JUAN SEBASTIAN ARBELÁEZ VARÓN DANIEL FERNANDO GÓNGORA PLAZAS

UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

IBAGUÉ

(2)

2

REFUERZO DE ESTRUCTURAS TERREAS UTILIZANDO TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET)

JUAN SEBASTIAN ARBELAEZ VARON DANIEL FERNANDO GONGORA

Monografía de investigación Título de obtención: Ingeniero civil

DIRECTOR DE PROYECTO MARIA PAULA SALAZAR SUSUNAGA ING. CIVIL MAGISTER EN GEOTECNIA

UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL IBAGUÉ – TOLIMA

(3)

3

NOTA DE ACEPTACIÓN

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________________

FIRMA DEL PRESIDENTE DEL JURADO

__________________________________________

FIRMA DEL JURADO

__________________________________________

FIRMA DEL JURADO

(4)

ÍNDICE

Contenido

ÍNDICE ... 4

RESUMEN ... 8

1. INTRODUCCION ... 10

2. OBJETIVOS ... 13

2.1. Objetivo general ... 13

2.2. Objetivos específicos ... 13

3. JUSTIFICACIÓN... 14

4. MARCO DE REFERENCIA ... 16

5. MARCO CONTEXTUAL ... 24

6. METODOLOGIA ... 33

6.1. Elección del refuerzo ... 36

6.2. Exploración directa ... 36

6.3. Caracterización del suelo ... 39

6.4. Elaboración de los especímenes de prueba ... 48

6.5. Pruebas de laboratorio... 50

7. ANALISIS DE RESULTADOS ... 53

8. CONCLUSIONES ... 76

9. RECOMENDACIONES ... 78

10. BIBLIOGRAFÍA ... 79

(5)

5

Índice de Ilustraciónes Ilustración 1: Ejemplos de fibras sintéticas para reforzar el concreto. (maestros, 2014)... 16

Ilustración 2: Ficha técnica del PET (PET F. t., 2008) ... 17

Ilustración 3: Cuchara de Casagrande. ... 18

Ilustración 4: Montaje del ensayo Proctor (Construpedia, 2016) ... 20

Ilustración 5: Ejemplo de círculo de Mohr. (Colombia U. N., 2006) ... 22

Ilustración 6: Ubicación de la vereda potrerillo y su cercanía con la ciudad de Ibagué.

Fuente: Google Maps. ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 7: Ubicación de la extracción de la muestra. ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 8: Descripción de la metodología. ... ¡Error! Marcador no definido. ilustración 9 Extracción del material. ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 10 Diagrama de fases de un sólido (Techniques, 2005). .... ¡Error! Marcador no definido.

Ilustración 11 Extracción y preparación de la muestra ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 12 Terrones de arcilla. ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 13Cuchara de CasaGrande. ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 14 : Planos de la copa de Casagrande. Fuente: (Torregrosa, 2015). ...¡Error! Marcador no definido.

Ilustración 15 Tamizado del material. ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 16 Clasificación de suelos (USCS). ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 17 Materiales para la determinación de la gravedad especifica...¡Error! Marcador no definido.

Ilustración 18 Procedimiento ensayo Proctor... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 19 Molde para ensayo de compactación de Proctor. ... ¡Error! Marcador no definido.

Ilustración 20 Molde teórico de la curva de compactación. Fuente: (Whitlow, 1994).

(6)

6

ilustración 24 Inclusión y mezclado de las fibras de PET. .. ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 25: Suelo con inclusiones de PET. ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 26: Montaje compresión no confinada. ... ¡Error! Marcador no definido. ilustración 27 Falla plástica, falla frágil, falla intermedia. Fuente: (Whitlow, 1994). ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 28: Ejemplo de la metodología del círculo de Mohr. (Badillo, 2005) ...¡Error! Marcador no definido. Ilustración 29: Modelo teórico de la gráfica esfuerzo vs deformación. Fuente: (Whitman, 1979). ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 30: Contenido de humedad Vs numero de golpes. ... 54

Ilustración 31: Grafica de plasticidad. (SUCS) ... 55

Ilustración 32: Picnómetro para la Gs ... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 33: Gravedad específica. ... 56

Ilustración 34: Curva de compactación. ... 57

Ilustración 35: Características de los especímenes. ... 58

Ilustración 36: Algunos especímenes para el montaje experimental. Fuente ... 59

Ilustración 37: Montaje experimental de compresión no confinada. .... ¡Error! Marcador no definido. Ilustración 38: Circulo de Mohr típico del material. ... 61

Ilustración 39: Grafica esfuerzo – deformación con 0,3% a 15 Golpes ... 61

lustración 40: Grafica esfuerzo – deformación con 0,3% a 25 Golpes. ... 62

Ilustración 41: Grafica esfuerzo – deformación con 0,3% a 56 Golpes. ... 62

Ilustración 42: Grafica esfuerzo – deformación con 0,5% a 15 Golpes ... 63

Ilustración 43: Grafica esfuerzo – deformación con 0,5% a 25 Golpes ... 63

Ilustración 44: Grafica esfuerzo – deformación con 0,5% a 56 Golpes. ... 64

Ilustración 45: Grafica esfuerzo – deformación con 0,8% a 15 Golpes ... 65

Ilustración 46: Grafica esfuerzo – deformación con 0.8% de PET a 25 Golpes. ... 65

Ilustración 47: Grafica esfuerzo – deformación con 0,8% de PET a 56 Golpes. ... 65

(7)

7

Ilustración 49 :Grafica del Incremento porcentual por espécimen a una compactación de 25 golpes por capa. ... 72

Ilustración 50: Grafica del Incremento porcentual por espécimen a una compactación de 56 golpes por capa. ... 73

Ilustración 51: Deformación de los especímenes. ... 74

Ilustración 52 Tamizado y mezcla del material con las fibras de PET. ... 90

Ilustración 53: Mezclado del material e inclusión de fibras. ... 91

Ilustración 54: Elaboración de los especímenes con su molde. ... 91

Ilustración 55: Especímenes. ... 92

Ilustración 56: Especímenes fallados. ... 92

Ilustración 57: Hoja de calculo para realizar las graficas de esfuerzo Vs deformación. ... 93

Ilustración 58: Terrones de suelo y montaje Proctor... 93

Ilustración 59: Descripción de los especímenes. ... 94

Ilustración 60: Descripción de los especímenes. ... 94

Ilustración 61: Hoja de cálculo para los incrementos de resistencia al corte aumentando el número de golpes. ... 95

Ilustración 62 Hoja de cálculo para los incrementos porcentuales con el mismo número de golpes. ... 96

Ilustración 63: Lectura de carga de los especímenes. ... 96

Ilustración 64: Mezclado del material. ... 97

Ilustración 65: Preparación de las muestras. ... 97

Ilustración 66: Especímenes remodelados. ... 98

Ilustración 67: Especímenes remodelados. ... 98

Índice de tablas Tabla 1: Grados de plasticidad. Fuente: (Badillo, 2005). .... ¡Error! Marcador no definido. Tabla 3: Datos del límite liquido ... 53

Tabla 4: Determinación del límite líquido. Fuente: Autores. ... 53

Tabla 5: Datos Obtención del límite líquido. Fuente: Autores. ... 54

(8)

8 Tabla 7: Máxima resistencia al corte por compactación. ... 70

Tabla 8: Incremento porcentual por espécimen a una compactación de 15 golpes por capa.

... 71

Tabla 9: Incremento porcentual por espécimen a una compactación de 25 golpes por capa.

... 72

Tabla 10: Incremento porcentual por espécimen a una compactación de 56 golpes por

capa. ... 73

RESUMEN

En el siguiente proyecto se demostrará el proceso para mejorar un suelo de características arcillosas (arcilla de alta plasticidad CH), haciendo uso de un método experimental que consiste en inclusiones aleatorias de PET (Polietileno Tereftalato) para que mejore el com-portamiento mecánico del suelo que se va a estudiar. El modo de uso de este este material será en forma de tiras o fibras de material reciclable PET, se cortará en forma de tiras de 8 cm de longitud, 2 mm de ancho y 0.5 mm de espesor (0.5 mm es el espesor de una botella plástica promedio).

Se usará este tipo de plástico debido a que este material es uno de los que tiene mayor de-manda en consumo, no solo en Colombia, sino en todo el mundo, además son unos de los que más contaminan el ambiente, pues este material se usa para fabricar envases plásticos y la mayoría de los empaques que se utilizan en el mercado hoy en día (Angel , 1993). Par-tiendo de esta idea, es ideal mitigar el impacto ambiental de tales desechos recolectándolos para reutilizarlos pasando o no por un proceso anterior de reciclaje.

(9)

9

probetas de suelo con inclusión de fibras de PET utilizando 0%, 0.3%, 0,8%, 1%, 1,2% del peso de las probetas del suelo transformado en tira, se elaborarán 45 probetas las cuales tienen dimensiones de 4” de alto y 2” de diámetro, estas se discretizaron en 15 que se

com-pactaron con 15 golpes, es decir una compactación media, 15 con 25 golpes siendo esta una compactación media-alta y finalmente 15 compactadas a 56 golpes siendo esta una compac-tación alta. concorde con esto, 3 probetas con cada porcentaje de inclusión de PET.

Como resultado de esta monografía, se obtiene que el material de refuerzo en fibras de PET mejora el comportamiento del suelo, pues el suelo de estudio presento una mejora de 137,24% en cuanto a la resistencia al corte para los especímenes con mayor cantidad de refuerzo y mayor compactación con respecto a los especímenes sin refuerzo.

Palabras claves: Resistencia al corte, PET, Compactación, Inclusión, Probetas. ABSTRACT

The following project will demonstrate the process to improve a soil with clay characteris-tics (clay of high plasticity CH), making use of an experimental method that consists of random inclusions of PET (Polyethylene Terephthalate) to improve the mechanical behav-ior of the soil that will be studied. The way of using this material will be in the form of strips or fibers of PET recyclable material, cut into strips of 8 cm in length, 2 mm in width and 0.5 mm in thickness (0.5 mm is the thickness of a bottle) average plastic).

This type of plastic will be used because this material is one of those that has the highest demand in consumption, not only in Colombia, but throughout the world, and they are also one of the most polluting the environment, as this material used to manufacture plastic con-tainers and most of the packaging used in the market today (Angel, plastic recycling was industrialized, 1993). Starting from this idea, it is ideal to mitigate the environmental im-pact of such waste by collecting it to reuse it, passing or not through an earlier recycling process.

(10)

10

cifically in the Altamira farm in 3 km from the city of Ibague. soil samples will be made with inclusion of PET fibers using 0%, 0.3%, 0.8%, 1%, 1.2% of the weight of the test pieces of the soil transformed into strip, 45 test pieces will be prepared which have dimen-sions of 4" high and 2" diameter, these were discretized in 15 that were compacted with 15 strokes, that is to say an average compaction, 15 with 25 strokes I feel this a medium-high compaction and finally 15 compacted to 56 strokes This being a high compaction. agree with this, 3 test tubes with each percentage of inclusion of PET.

After carrying out the proposed tests it is concluded that the behavior of the soil using the fibrous reinforcement has been satisfactory, since the percentage increase of soil showed an improvement of 137.24% in terms of the cut resistance for the specimens with the greatest amount of reinforcement and greater compaction.

Keywords: Cut resistance, PET, Compaction, Inclusion, Test tubes.

1. INTRODUCCION

(11)

11

Por otro lado, otra de las grandes industrias a nivel mundial y en Colombia es la construc-ción; en la cual desde los últimos años se viene presentando un crecimiento anual cada vez mayor, y para el año del 2018 esta cifra se sitúa en un 4,6% (Colombia S. d., 2013); es por esto que es necesario encontrar materiales que sean aplicables a la ingeniería civil y permi-tan soluciones eficientes y eficaces a los retos que se presenpermi-tan día a día en la construcción; por lo cual es necesario implementar prácticas y procesos de reciclaje, que permitan dismi-nuir el impacto ambiental que generan estos desechos al planeta.

Con la finalidad anteriormente mencionada, el plástico (PET), ya ha sido implementado en la industria de la construcción y son muchas los usos actuales de este material; cabe men-cionar algunos entre los cuales se encuentran los siguientes: estabilización de taludes, mejo-ramiento de suelo y sub-base granular, construcción de viviendas, etc. Por tanto, es posible implementar residuos de plástico (PET); en todas las ramas de la construcción; debido a que sus características y composición son muy útiles,(como por ejemplo, añadir fibras PET en morteros para mejorar la resistencia a flexión) (Conacyt, 2017).

De este modo, estudios acerca del reforzamiento de suelos con fibras han sido de interés por los últimos 20 años, tiempo en el cual se han realizado investigaciones acerca del com-portamiento de suelos reforzados mediante la adición de fibras; algunos antecedentes de la implementación de fibras en la construcción en Colombia son: en casas o iglesias, cuya estructura de mampostería está compuesta de bahareque y en las cuales habitan aproxima-damente 300 familias por municipio (Tiempo, 2010).

(12)

12

(13)

13 2. OBJETIVOS

2.1.Objetivo general

Estudiar el comportamiento de un suelo reforzado mediante la inclusión de fibras de PET (Polietileno Tereftalato) con dimensiones de 8 cm de largo, 2mm de ancho y 0,5mm de espesor con el fin de dar estabilidad a estructuras terreas.

2.2.Objetivos específicos

2.2.1 Conocer las propiedades y comportamiento del suelo previo al mejoramiento. 2.2.2 Mejorar la resistencia al corte del suelo mediante la inclusión de fibras aleato-rias de PET.

(14)

14 3. JUSTIFICACIÓN

Es importante realizar la estabilización de suelos y el mejoramiento de estos aplicados a la ingeniería geotécnica debido a que son herramientas que permiten enmendar los problemas que se presentan en un suelo decadente. Dado que, al dejar atrás los años, las estructuras han aumentado su tamaño y su variedad por lo cual se hace obligatorio que las decisiones que tomen los constructores estén más direccionadas a la conducta del suelo en el que se va a situar la estructura. A partir que se empezó a construir, surgió la necesidad de mejorar el suelo. Esto se puede evidenciar en los suelos donde construyeron algunas ruinas los cuales estaban mezclados con diferentes tipos de fibras, como paja, raíce, etc. En este momento en Colombia más específicamente algunos pueblos, se construye mampostería compuesta de materiales fibrosos que previenen grietas en estas estructuras (Rivera, 2018).

(15)

15

Partiendo de esto, la propuesta consiste en ejecutar las inclusiones de materiales fibrosos hechos algún un material se pueda reutilizar de modo provechoso para este fin, pues se sabe que el porcentaje de desechos no biodegradables en el planeta es muy alto por lo que es de mucha trascendencia que se reduzcan los impactos ambientales causados por estos residuos. Uno de estos materiales de desecho que son potencialmente reutilizable es el PET (Polieti-leno tereftalato) que se usa para la elaboración de botellas plásticas, envases plásticos, y demás contenedores o materiales plásticos reciclables. Haciendo uso de estos materiales es posible elaborar otros útiles para procesos de edificación tales como geotextiles, geo- (Rivera, 2018)mallas o simplemente fibras de sostenimiento.

(16)

16

4. MARCO DE REFERENCIA

Las fibras sintéticas

Son denominadas así, puesto que su origen se basa en la mezcla de varios compuestos quí-micos provenientes en su mayoría de derivados pétreos que pasan por procesos industriales, y no proceden directamente del entorno natural, como lo son las fibras naturales y las artifi-ciales.

(17)

17 Ilustración 1: Ejemplos de fibras sintéticas para reforzar el concreto. (maestros, 2014).

Polietileno Tereftalato (PET)

(18)

18 Ilustración 2: Ficha técnica del PET (PET F. t., 2008)

Límites de Atterberg

Los límites de Atterberg son ensayos de laboratorio mediante los cuales se obtiene los valo-res límites de humedad de un suelo de partículas finas que se encuentra en estado plástico; a medida que se incrementa la humedad de un suelo plástico en estado sólido, se cambia su consistencia pasando a un estado líquido.

Fueron originados inicialmente por el sueco Albert Mauritz Atterberg; posteriormente fue-ron redefinidos por Arthur Casagrande, el cual aplico una metodología para encontrar la humedad de un suelo ubicado en la frontera de dos estados de consistencia.

(19)

19

Mediante estos ensayos se identifica el tipo de suelo en la Clasificación Unificada de Sue-los (Unified Soil Classification System, USCS). (Whitman, 1979).

Plasticidad

La plasticidad es la propiedad que poseen los suelos finos; es decir, limos y arcillas para cambiar la rigidez de las partículas que la componen con relación a la humedad (resistencia al corte); se presenta cuando un suelo se encuentra entre el limite líquido y el limite plásti-co, de manera que este puede ser moldeado como si fuera una plastilina y acepta deforma-ciones sin que se rompa; esta propiedad no se encuentra en suelos de granulometría gruesa (arena, gravas, gravilla o cantos). (Whitman, 1979).

Ensayo de Casagrande

Ilustración 3: Cuchara de Casagrande.

Este ensayo fue inventado por Arthur Casagrande y se emplea en la ingeniería civil y geo-tecnia con la finalidad de determinar el limite líquido de un terreno partiendo del análisis de una muestra del mismo; se realiza mediante un aparato llamada cuchara o copa de Casa-grande.

Composición y uso

(20)

20

produce una caída de la copa a una altura determinada cierto número de veces; se divide en dos mitades la porción de suelo en estado plástico y con cada golpe generado en el casquete se tiende a unir los bordes de la ranura. (Badillo, 2005)

Las clases de suelos definidas en función del grafico de Casagrande son:

 Arcilla inorgánica de baja plasticidad (CL).

 Arcilla inorgánica de alta plasticidad (CH).

 Limo inorgánico de baja plasticidad (ML).

 Suelo con materia orgánica coloidal y baja plasticidad (OL).

 Limo orgánico de alta plasticidad (MH).

 Suelo con materia orgánica coloidal y alta plasticidad (OH).

Ensayo Proctor

el ensayo Proctor es un conducto mediante el cual se conoce la aptitud en la compactación de un terreno. Su objetivo primordial es definir la compactación máxima de un terreno de acuerdo a su grado de humedad, así como disminuir su volumen de vacíos; esto optimiza el inicio de la obra con relación al costo y el progreso estructural e hidráulico. Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Normal", y el "Ensayo Proctor Modificado".

(21)

21 Ilustración 4: Montaje del ensayo Proctor (Construpedia, 2016)

Humedad Óptima

Contenido de agua de un suelo con el que puede ser compactado hasta un peso unitario seco máximo con un trabajo de compactación dado. (Normas ASTM D698 y D1557).

Compactación

la compactación del suelo es un método mecánico que consiste en la aplicación de una fuerza cuando un suelo tiene una alta permeabilidad y una baja capacidad de soporte con el fin de eliminar los vacíos del estrato del estrato de suelo y aumentar su densidad, a lo ante-rior se le conoce como densificación.

Este método de mejoramiento de suelos consigue incrementar las prestaciones mecánicas del mismo, para su adecuado desempeño en obras civiles, tales como: estabilización de taludes, construcción de terrenos artificiales, y elaboración de carreteras, entre otros.

Estos métodos de compactación pueden ser llevados a cabo en situ acorde a las especifica-ciones que la obra requiera o mediante ensayos de laboratorio para analizar la compacta-ción del suelo; algunos de los ensayos de laboratorio son los siguientes: Proctor, Marshall, triaxial y comprensión no confinada. (Braja M , 1985)

(22)

22  Características físicas del suelo.

 Contenido inicial de agua en el suelo.

 El equipo de compactación y la energía especifica de compactación.

 El procedimiento adoptado y el equipo seleccionado para compactar

 El espesor de las capas.

Arcillas

Las arcillas son un tipo de suelo o sedimento el cual al humedecerse se vuelven muy plásti-cas y al calentarse pierde su humedad y se endurece notablemente; lo conforman las partí-culas más finas del suelo, con diámetros menores a 0.005 mm. Tienen origen inorgánico y en general son partículas cristalinas de silicatos de aluminio, hierro o magnesio hidratados. Generalmente son muy impermeables debido a su compacidad (Peck),sus propiedades mol-deables permiten que este tipo de suelo sea implementado en la construcción, y en la fabri-cación.

Cohesión

La cohesión es la mayor resistencia del suelo a la tensión. Es generado por las fuerzas de las moléculas que lo componen, sus situaciones de drenaje, esfuerzos anteriormente aplica-dos; así como las películas de agua que se forman en el suelo. Sus unidades de medida son de esfuerzo. En los suelos no plásticos de grano fino se observa una cohesión aparente cuando se encuentra en condiciones de saturación parcial.

El valor de cohesión que se utiliza al diseñar depende directamente de las condiciones de drenaje bajo la carga impuesta, así como el método de prueba que se emplee para calcular-lo, por lo que todo debe evaluarse cuidadosamente. (Peck)

Círculo de Mohr

(23)

23

momentos de inercia, tensiones y deformaciones en un plano bidimensional con distintas orientaciones cercanas a un punto.

Para su elaboración se ubica en el eje horizontal los esfuerzos normales y en el vertical los esfuerzos cortantes; mediante el circulo de Mohr es posible determinar los ángulos donde las tensiones serán máximas siendo usualmente ese punto donde se produce la falla.

Ilustración 5: Ejemplo de círculo de Mohr. (Colombia U. N., 2006)

Resistencia al corte

La resistencia al corte es la resistencia interna por área unitaria que la masa de suelo genera para resistir la falla y el deslizamiento a lo largo de un plano; es utilizada pa-ra determinar la estabilidad de taludes, capacidad de carga de un suelo y la resisten-cia a presiones laterales

Cuando el material falla es debido a una combinación de esfuerzo normal y esfuerzo cortante parte de fricción e influyen algunos factores como: el nivel de confinamien-to, relación de vacíos (e), y la velocidad de cargas (en suelos con comportamiento viscoso).

Existen dos tipos de resistencia al corte que son: resistencia drenada y resistencia no drenada, la primera se utiliza en esfuerzos efectivos mientras que la no drenada se utiliza en esfuerzos totales. (Badillo, 2005).

(24)

24

• Ensayo triaxial

• Ensayo de corte directo

• Ensayo de corte directo simple

Angulo de fricción

Es una propiedad de los suelos granulares, la cual consiste en la resistencia que tiene el suelo al deslizamiento debido a la fricción generada entre la superficie de las partículas y su densidad, de manera que, si en el suelo se encuentran partículas angulosas, este tendrá una alta fricción interna; en cambio si sus partículas son finas tendrá una baja fricción interna Los factores que determinan el ángulo de fricción son: fricción, la cohesión, tamaño y for-ma de las partículas, distribución y composición de las partículas, permeabilidad y densi-dad. Por otro lado, para materiales donde no se presenta una cohesión el ángulo de fricción es el mismo ángulo de rozamiento interno.

Es fundamental su obtención en la geotecnia para cálculos de: estabilidad de taludes, resis-tencia de cimentaciones y empujes de tierras.

“Los valores del ángulo de fricción interna varían desde 0º para arcillas plásticas,

consis-tencia se aproxima al límite líquido, hasta 45º o más, para gravas y arenas secas, compactas y de partículas angulares. usualmente, el ángulo f para arenas es alrededor de 30º”. (Badi-llo, 2005).

5. MARCO CONTEXTUAL

(25)

25

rreno cubren una amplia gama de técnicas, a menudo denominadas procesos geotécnicos, e incluyen compactación, control de humedad, estabilización, lechada y refuerzo (Blake, 1989). También se debe hacer referencia al uso de geotextiles para refuerzo, separación y filtración en el suelo y de tiras de refuerzo de acero suave para producir estructuras de tierra reforzada con propiedades de cizallamiento aumentadas en terraplenes y rellenos (Blake, 1989).

Las soluciones de ingeniería alternativas relativas al mejoramiento del suelo deben exami-narse teniendo en cuenta tres pilares: ambiental, social, y económico. El aspecto ambiental es muy importante porque abarca dos conceptos muy importantes la sostenibilidad y susten-tabilidad. Estos dos aspectos basan su importancia debido al impacto más amplio de la geo-técnica en el uso de los recursos: la energía incorporada y utilizada directamente, las emi-siones de CO2, uso del agua y otras preocupaciones similares. La industria de la ingeniería civil ahora ha pasado a un estado de conciencia global que exige que vaya más allá del en-foque tradicional de "costo, calidad y tiempo" al diseño de ingeniería. Las alternativas de mejora del terreno a las soluciones "estructurales" representan un excelente ejemplo de có-mo se desarrollan estas consideraciones (Burland, Chapman, Skinner, & Brown, 2012).

En este capítulo se expone una revisión de publicaciones académicas con un alcance limi-tado referentes al mejoramiento del suelo con medios físicos y químicos como la introduc-ción de refuerzos al suelo y la modificaintroduc-ción del suelo con aditivos.

(26)

26 Akbulut, Arasan, & Alkam (2007) evaluaron el uso de materiales de fibra de desecho como el caucho de llanta de desecho, polietileno y fibra de polipropileno para la modificación de suelos arcillosos. En la investigación evaluaron la resistencia y el comportamiento dinámico de los suelos reforzados con materiales de fibra de desecho incluidos aleatoriamente. Las muestras no reforzadas y reforzadas se sometieron a pruebas de compresión, corte y frecuencia de resonancia no confinadas para determinar su resistencia y propiedades dinámicas. Estas fibras de desecho mejoran las propiedades de resistencia y comportamiento dinámico de los suelos arcillosos. Los autores concluyeron que las fibras de caucho, polietileno y polipropileno de la llanta de desecho pueden usarse exitosamente como materiales de refuerzo para la modificación de suelos arcillosos.

Pradhan, Kar, & Naik (2012) estudiaron el efecto de la inclusión aleatoria de las fibras de polipropileno en las características de resistencia del suelo. El suelo cohesivo (CL) disponible localmente se usa como medio y las fibras de polipropileno con tres relaciones de aspecto (l / d = 75, 100 y 125) se usan como refuerzo. El suelo se compacta con la densidad máxima estándar de Proctor con un bajo porcentaje de refuerzo (0-1% en peso de suelo secado al horno). Las pruebas de corte directo, las pruebas de compresión no confinadas y las pruebas de CBR se realizaron en suelos no reforzados y reforzados para investigar las características de resistencia de los suelos reforzados con fibra. Los resultados de la prueba revelan que la inclusión de fibras de polipropileno distribuidas al azar en el suelo aumenta la resistencia máxima al cizallamiento y la resistencia al corte residual, la resistencia a la compresión no confinada y el valor CBR del suelo. Se observa que el contenido óptimo de fibra para lograr la máxima resistencia es de 0,4 a 0,8% del peso del suelo secado al horno para una relación de aspecto de fibra de 100.

(27)

27

aumentaron con la adición de fibras. Por otro lado, los resultados de las pruebas indicaron que el ángulo de resistencia al corte no se vio afectado significativamente por el refuerzo de la fibra.

Bin Hasan, binti Yusuf, binti Noor, & Kassim (2015) invesgigaron la mejora de la resis-tencia al corte de arcilla blanda de caolín cuando se refuerza con columnas de polipropileno (PP) triturado en grupo. En primer lugar, se identificaron las propiedades físicas y mecáni-cas de los materiales utilizados que son el caolín (muestra de suelo) y el PP (columnas de refuerzo). Luego, el caolín consolidado como arcilla blanda se reforzó con columnas de PP trituradas en grupo y, posteriormente, se probó bajo Prueba de compresión no confinada (UCT). Se probaron un total de 7 lotes de muestra de caolín, incluida la muestra de control, para identificar la resistencia al corte. Cada lote incluye cuatro muestras para encontrar el valor promedio de la tensión máxima. Las variables utilizadas para la instalación de las columnas fueron las alturas de las columnas de 60 mm, 80 mm y 100 mm, donde la rela-ción de penetrarela-ción de la columna es de 0,6, 0,8 y 1,0 respectivamente. Además, se han utilizado diferentes valores de diámetro de columnas que son 6 mm y 10 mm para cada altura diferente de columnas. Se realizaron 28 pruebas de compresión no confinadas en muestras de caolín. Las muestras de caolín tenían las dimensiones de 50 mm de diámetro y 100 mm de altura. Para el refuerzo de PP del grupo, la resistencia al corte aumentó aproxi-madamente 2,13%, 13,51% y 12,84% para una relación de penetración de muestra de 0,6, 0,8, 1,0 respectivamente. Se puede concluir que los parámetros de resistencia al corte fue-ron afectados por el diámetro y la altura de las columnas, y la presencia de la columna PP mejoró en gran medida la resistencia al corte.

(28)

28

de cada porcentaje 6 probetas para cada longitud para un total de 48 probetas alteradas. Teniendo como objetivo esto, con los resultados obtenidos evaluaron el comportamiento del PET y se llegó a la conclusión de que es posible obtener resultados positivos en cuanto a la cohesión, incrementando para las tiras de mayor porcentaje de adición (1,5%) un 43,3% en las de 3 cm de longitud y 41,9% en las de 5cm de longitud; así como también se concluye que ayudar a mitigar los impactos ambientales que produce el plástico en el mun-do. (Ortiz, 2013)

Tran, Satomi, & Takahashi (2018) evaluaron las propiedades mecánicas de un suelo re-forzado con fibras de maíz. Este estudio consideró el efecto de la cantidad aditiva de fibras (0.5, 1, 1.5 y 2%), así como las longitudes de las fibras (10, 30 y 50 mm) sobre las propie-dades mecánicas del suelo reforzado con fibra mediante el uso de la prueba de compacta-ción, prueba de compresión no confinada, y prueba de tensión de división. Los resultados indicaron que la adición de fibras de maíz en el suelo mejoró las propiedades mecánicas, incluida la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción, la ductilidad, la tenaci-dad y la rigidez. Normalmente, el mayor aumento de la resistencia a la compresión máxima no confinada fue de aproximadamente el 38% cuando se usa el contenido de fibra del 1% y la longitud de la fibra de 10 o 30 mm. El mayor aumento de la resistencia a la rotura por falla fue del 210,5%, con un contenido de fibra del 2% y una longitud de fibra de 50 mm. Se puede concluir que las fibras de maíz mostraron un buen desempeño en la estabilización del suelo, y debería considerarse su utilización en la modificación de suelos.

(29)

29 Walia, & Mohan (2006) mezclaron fibras de poliéster con un suelo de arcilla blanda para investigar la ganancia de resistencia relativa en términos de compresión no confinada. Los investigadores analizaron muestras en compresión no confinada con 0%, 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0% de fibras de poliéster lisas y onduladas. También realizaron pruebas de verificación para investigar la repetibilidad de los resultados de la prueba. Los resultados presentados muestran que el grado de compactación afectó los beneficios relativos del refuerzo de fibra para el suelo sujeto. También se analizaron muestras compactadas después de mezclar va-rias proporciones de arena en arcilla (variando de 0% a 12% de arcilla). Se observó que la resistencia a la compresión no confinada de la arcilla aumenta con la adición de fibras y aumenta aún más cuando las fibras se utilizan como refuerzo en la mezcla de arena y arci-lla. Las pruebas de verificación realizadas revelaron que a pesar de que las fibras estaban orientadas al azar, los resultados de las pruebas se pueden reproducir con una precisión razonable.

(30)

30

obtenidos, se puede concluir que el suelo expansivo se puede estabilizar con éxito mediante la acción combinada de las fibras, la cal y las cenizas volantes.

Sánchez & Paredes (2014) estudiaron la viabilidad técnica de la implementación del polietileno tereftalato como material para estabilización de taludes; platearon que este material esta siendo ultimamente utilizado en la industria de la construccion para el mejoramiento de suelo para terraplenes, control de erosion, drenaje y filtracion y estabilizacion de taludes; de forma que analizan el funcionamiento y las diferentes aplica-ciones del PET en la ingeniería civil , con el objetivo de recopilar información de usos anteriores de este material, así como identificar los tipos de remoción retenidos por muros PET, mediante esta investigación se identificaron los tipos de movimientos que presenta un terreno de acuerdo a la Sismicidad y topografía del mismo, clasificándolos en: desprendi-miento o caídas, reptaciones, vuelcos, deslizadesprendi-mientos, expansiones y flujos.

Entre las propiedades que resaltan del PET, esta que este puede soportar la humedad, asi como condiciones de acidez, aporta resistencia a los esfuerzos que genera el terreno y posee características sismos resistentes.

Como resultado de esta investigación se obtiene que la contención de taludes con PET es viable para movimientos de tierras con velocidades bajas y pocos centímetros de material por año, como lo son los movimientos de reptación; por tanto, es viable solo si las fuerzas de empuje generadas por el terreno no son muy altas ya pueden sobrepasar la capacidad de absorber esfuerzos a tensión del material.

(31)

31

después de 3, 7, 14 y 28 días de curado. Los resultados indicaron que la inclusión de fibras en el suelo no cementado y estabilizado con cemento provocó un aumento en la resistencia a la compresión no confinada y la tensión axial, y cambió el comportamiento frágil del suelo estabilizado con cemento a un comportamiento más dúctil. También se demostró que las características mecánicas de las mezclas de suelo-cemento-fibra son funciones del contenido de fibra y del tiempo de curado.

Chen et al. (2015) evaluaron el comportamiento de la mezcla de cemento y arcilla suave de Shanghai mejorada con fibra de polipropileno. En las pruebas, se emplearon dos tipos de fibras poliméricas; el primero es fibra de polipropileno de monofilamento y el otro es pa-quetes de fibras partidas de bolsas textiles de polímero. Las pruebas se realizaron utilizando una prueba de resistencia a la compresión no confinada (UCS) después de que el espécimen de mezcla de fibra-suelo-cemento se curó durante cierto período. Los resultados muestran que el aditivo de fibra puede mejorar significativamente la resistencia y la ductilidad de la arcilla de Shanghai tratada con cemento. Ambas muestras de arcilla-cemento reforzada con fibras alcanzaron su resistencia máxima con un contenido de fibra de 0.5%. Aunque la fibra de polipropileno funciona mejor que la fibra de bolsas de textiles de polímero, la diferencia es inferior al 5%.

(32)

32

seco del suelo) se mezclaron con fibra de polipropileno fibrilada y fibra de polipropileno multifilamento en dos longitudes diferentes y en dosificaciones de fibra diferentes, por se-parado. Se prepararon un total de 17 mezclas diferentes de fibra, ceniza volante y suelo, y sus pruebas de compresión no confinadas se llevaron a cabo después de 28 días de curado. Los resultados de las pruebas obtenidas indicaron que el efecto del contenido de cenizas volantes en el comportamiento de tensión-deformación es superior al efecto de las fibras. La inclusión de fibra sola sin cenizas volantes disminuye la resistencia a la compresión no confinada (UCS) de las mezclas compactadas de fibra y arcilla. Por otro lado, cuando se combina con cenizas volantes, la inclusión de fibra aumenta la UCS según el tipo de fibra, la longitud y la dosis. Además, tanto para los tipos de fibra como para las longitudes de fibra, cuanto mayor sea la dosis de fibra, mayor será la UCS. El aumento de la UCS se es-tima en un 218% para un 30% de contenido de cenizas volantes y 1,0% de fibra de polipro-pileno fibrilada de 19 mm de largo.

(33)

33

resistencia de la arcilla mejora mediante la adición de aditivos y fibras. El estudio ha de-mostrado que la combinación de arcilla, RHA, PA, cemento y fibra se puede usar como ma-terial de relleno liviano en diferentes estructuras como terraplenes, paredes de contención, etc.

Finalmente los avances tecnológicos han permitido crear fibras sitéticas con mejores prestaciones y desempeño. La fibra de carbono es una fibra sintética con propiedades mecánicas similares al acero pero mucho más ligero, inmune a la corrosión, que puede adoptar diversas formas y adaptarse a las necesidades de múltiples sectores (Llano, 2011)

(34)

34

6. METODOLOGIA

La metodología consta de 5 fases de recolección de información, trabajo de campo y labo-ratorio para lograr el alcance de la presente investigación. Estas actividades generales están encaminadas a evaluar el comportamiento mecánico en términos de la resistencia a la com-presión no confinada y la resistencia al corte de un suelo cohesivo reforzado con PET en dosificaciones del 0.3%, 0.5%, 0.8%, 1.0% y 1.2% del peso seco de la muestra de suelo, realizando un análisis comparativo de las propiedades mecánicas de las muestras de suelo ensayadas y determinando el contenido la dosificación o contenido óptimo de refuerzo de polietileno PET en tiras para alcanzar resistencias y propiedades ingenieriles deseadas.

La primera fase o actividad general de este estudio comprende la elección del material que se utilizará para reforzar un suelo y mejorar sus propiedades ingenieriles. Está actividad general se apoyará en la recolección de información del marco contextual de esta investiga-ción. En la investigación se elige como refuerzo utilizar polietileno tereftalato PET.

En la segunda fase se realiza una exploración directa en el predio de Altamira, Vereda Po-treritos, Corregimiento El Totumo, Ibagué-Tolima donde se hace la extracción de la mues-tra de suelo arcilloso existente en un talud del lugar.

La tercera actividad consiste en la evaluación de las propiedades físicas, clasificación (de acuerdo a la carta de plasticidad de Casagrande) y parámetros de compactación (densidad seca máxima y contenido de humedad) del suelo. En la cuarta fase se deberá preparar y añadir el refuerzo PET en los tamaños y dosificaciones especificados a la masa de suelo seco para la elaboración de las probetas compactadas con los parámetros definidos previa-mente (contenido de humedad, densidad seca máxima y energía de compactación).

Finalmente, en la quinta fase se realizan las pruebas de laboratorio para evaluar el compor-tamiento mecánico del suelo en términos de la resistencia a la compresión incofinada y la resistencia al corte del suelo cohesivo.

(35)

35

menes de suelo arcilloso en función del contenido de refuerzo PET y la energía de compac-tación. Finalmente se determina el contenido óptimo de refuerzo PET en tiras para alcanzar la máxima resistencia al corte.

(36)
(37)

37 6.1. Elección del refuerzo

La elección del refuerzo se realiza en base a las publicaciones científicas investigadas y agrupadas en el marco contextual. En el estado del arte se observó la tendencia de los in-vestigadores en utilizar fibras sintéticas elaboradas a partir de materiales que pueden ser reciclados y pueden aportar al pilar ecológico de la ingeniería. Tal es el caso del polietileno tereftalato PET, material seleccionado en esta investigación para reforzar un suelo y mejo-rar sus propiedades ingenieriles, en este caso las arcillas, contribuyendo a la sustentabilidad y sostenibilidad no solo de la geotecnia sino de la industria del plástico que ven cómo se utilizan para distintas actividades parte de su producción y desechos.

6.2. Exploración directa

En esta investigación se decidió mejorar las propiedades mecánicas de un suelo que ya ha-bía sido objeto de estudio en múltiples ocasiones en los laboratorios de la universidad de Ibagué. La toma de muestra del suelo se realiza en un talud ubicado en el acceso a la finca las Juanas-Predio Altamira, Vereda Potrerito, Ibagué-Tolima. El método de exploración directa consiste en un apique con dimensiones 1.0 m x 1.0 m y 50 cm de profundidad.

(38)

38 Ilustración 7. Ubicación de la Vereda Potrerito: 4º 24' 39.6" N, 75º 12' 2.02" O,

Ibagué-Tolima

(maps, 2019)

(39)

39 Fotografía 1. Talud, lugar de extracción de la muestra de suelo

(40)

40

Es importante seguir las disposiciones del Instituto Nacional de Vías INVIAS en la toma de muestras de suelo in situ, su conservación y transporte: INV E 103 y 104. Lo anterior con el fin de reproducir en laboratorio las propiedades físicas, parámetros de compactación y comportamiento mecánico similar a las condiciones del suelo en estado natural.

6.3. Caracterización del suelo

En la siguiente tabla se especifican los métodos y resultados de los ensayos empleados para evaluar las propiedades físicas y parámetros de compactación del suelo.

Tabla 1. Resumen de las propiedades del suelo y métodos de ensayo realizados en este estudio

Propiedades Método Valor

Contenido de humedad INV E 122 - 13 58.5

Gravedad específica INV E 128 – 13 2.425

Límites de consistencia Limite liquido Limite plástico Índice de plasticidad

INV E 125 – 13 INV E 126 – 13

58.5 22.6 35.9 Parámetros de compactación

Contenido de humedad óptimo Densidad máxima seca

INV E 141 - 13 22.2

(41)

41

El contenido humedad de un suelo es la relación entre la masa del agua que llena los poros de material y masa de los sólidos. El método común para medir el contenido de agua en una muestra de suelo implica los siguientes pasos. Primero, se toma una medición precisa del peso de una pequeña cantidad de suelo húmedo (mw). Se lleva la muestra a secado constan-te en un horno duranconstan-te 24 horas, manconstan-teniendo una constan-temperatura de 100 ° C a 110 ° C y se toma el peso de la muestra seca (md). La diferencia de estos dos pesos (mw - md) da como resultado el peso del agua de la muestra del suelo. El contenido de agua en porcentaje (w) de la muestra se calcula de la siguiente manera (INVIAS, 2013):

𝑤(%) =(𝑚𝑤−𝑚𝑑)(𝑚𝑑) ∗ 100 (1)

La gravedad específica de un suelo es la relación entre el peso del suelo seco (ϒs) y el peso del agua (ϒw) de igual volumen, ambos medidos a la misma temperatura (temperatura estándar 25 ° C) (INVIAS, 2013).

Un picnómetro se usa generalmente en la determinación de la gravedad específica del sue-lo. El peso del picnómetro (W1) se toma primero. Luego, el peso de la muestra secada al horno (W2) se mide después de enfriarse. La diferencia de estos dos pesos (W2 - W1) da el peso de la muestra seca. El picnómetro con la muestra de suelo se rellena con agua destila-da y su peso (W3). El material se saca del picnómetro y se limpia. Luego, el picnómetro se llena con agua destilada. Por lo tanto, el peso del agua en el picnómetro con la muestra de suelo es (W3 − W2). (INVIAS, 2013)

El material se saca del picnómetro y se limpia. Luego se llena el picnómetro con agua desti-lada y se toma su peso (W4). El peso del agua en el picnómetro sin muestra de suelo es (W4 − W1). Por lo tanto, la gravedad específica (Gs) del suelo se obtiene de la siguiente

relación:

(42)

42 Fotografía 3. Materiales de Ensayo de gravedad específica

La consistencia de un suelo se refiere a su rigidez o firmeza que depende del contenido de agua del suelo. La rigidez disminuye y el suelo pierde su cohesión al aumentar el agua. Con el aumento gradual del agua, la cohesión se reduce hasta tal punto que la masa del suelo ya no conserva su forma y fluye como un líquido. Sin embargo, si se deja secar el suelo, recu-pera su resistencia y rigidez al cizallamiento. Mientras se seca, la masa del suelo pasa por cuatro estados de consistencia, conocidos como estados líquidos, plásticos, semisólidos y sólidos. Los límites arbitrarios establecidos para estos estados en términos de contenido de agua en el cual la masa del suelo cambia de un estado al siguiente se denominan límites de consistencia o límites de Atterberg (Gangopadhyay, 2013).

(43)

43

Fotografía 4 Extracción y preparación de la muestra

(44)

44

Las pruebas se repiten con diferentes contenidos de agua, de modo que el número de gol-pes requerido se mantiene entre 25 y 35. Se realizan al menos cuatro de estas pruebas, cada vez que se registra el número de golpes y el contenido de agua correspondiente de la masa del suelo. Una gráfica de ejemplo preparada a partir de los cuatro registros para el conteni-do de agua en función del número de golpes da el valor LL, que es igual al conteniconteni-do de agua para 25 golpes, ver Ilustración 3 (d) (Gangopadhyay, 2013).

Ilustración 3. Ensayo del límite liquido: (a) Aparato para la prueba de limite liquido; (b) Taza de latón con

torta de suelo después de la ranura o separación en forma de "V"; (c) Torta de suelo separada que se toca

después de ciertos golpes; (d) Curva que muestra contenido de agua en porcentaje vs número de golpes.

(45)

45 Fotografía 5. Aparato de prueba del límite liquido

(46)

46 Fotografía 6. Determinación del límite plástico

El índice de plasticidad de un suelo es la diferencia numérica entre los límites de líquido y plástico del suelo, es decir:

𝐼𝑃 = 𝐿𝐿 − 𝐿𝑃 (3)

Cuando IP es cero (es decir, LL = LP) o cuando el suelo no es lo suficientemente cohesivo para medir un PL, el suelo se denomina no plástico (NP). En el caso del suelo arenoso, que no es de naturaleza plástica, no se puede deducir el índice de plasticidad (Gangopadhyay, 2013).

(47)

47

Ilustración 8 Carta de plasticidad usada en la clasificación de suelos de Casagrande. Fuente: (Blake, 1989)

De acuerdo a la carta de plasticidad usada en la clasificación de suelos de Casagrande (Ilus-tración 4), el suelo de esta investigación corresponde a una arcilla de alta plasticidad CH.

(48)

48

un contenido de agua específico denominado como contenido de agua óptimo (Gangopadhyay, 2013).

Para la ejecución del ensayo de compactación se escoge el método A que establece 25 gol-pes/capa en tres capas del espécimen a compactar (energía de compactación 600 KN m/m3) en un molde de 101.6 mm de acuerdo a la granulometría del material % retenido tamiz de 4.75 mm (No. 4) es menor o igual 25%. La INV E 141 específica que si no se dispone de los datos de granulometría se estiman las proporciones del material retenido en los tamices especificados en los tres métodos y se escoge el método cuyo material retenido en porcenta-je se considere cercano a su límite (INVIAS, 2013).La cantidad mínima de muestra de sue-lo para realizar el ensayo de acuerdo a las especificaciones del método A es de 16 Kg. La preparación de las submuestras de ensayo se realiza por vía seca. Se seleccionan y preparan al menos cuatro submuestras en un rango de contenidos de humedad proporciona una curva de compactación que indica el contenido de humedad óptimo y la densidad seca máxima obtenible para el esfuerzo de compactación aplicado. La densidad máxima seca (1.1 g/cm3) y el contenido de humedad óptimo fueron exhibidos previamente en la Tabla 1.

(49)

49 6.4. Elaboración de los especímenes de prueba

Se prepararon 45 especímenes de suelo reforzado de acuerdo con las dosificaciones y di-mensiones de tiras de PET especificadas para la prueba de compresión inconfinada. Se ela-boraron 3 especímenes por dosificación de PET y el total de estas muestras se compacta a 15, 25 y 56 golpes (para un total de 45 especímenes). Hay que mencionar además que las dimensiones establecidas para los especímenes a preparar cumplen las limitaciones de la norma INV E 152:

𝑑 = 50 𝑚𝑚 ≥ 30 𝑚𝑚 y

Relación altura/diámetro: 2.0 𝑚𝑚 ≤ ℎ𝑑= 2.2 𝑚𝑚 ≤ 2.5 𝑚𝑚

Las dimensiones de los especímenes elaborados se especifican en tablas de datos exhibidas en el capítulo de resultados y anexos. Las muestras se realizaron con un contenido óptimo de agua y una densidad seca máxima con respecto a cada condición de mezcla. El procedi-miento para hacer especímenes para el análisis fue el siguiente. El suelo se mezclaba con las tiras de PET de dimensión estándar de 80 mm de largo, 2 mm de ancho y 0.5 mm de espesor, en contenidos de 0.3%, 0.5%, 0.8%, 1.0%, 1.2% del peso seco del suelo, a mano para obtener mezclas homogéneas.

Fotografía 8 Longitud de una Tira típica de PET .

(50)

50

tras serán sometidas inmediatamente a las pruebas de compresión no confinada. Para cada mezcla, se hicieron tres muestras para asegurar la reproducibilidad de los resultados obteni-dos de las pruebas.

(51)

51 Fotografía 10. Tiras de PET y preparación de los especímenes de prueba

6.5. Pruebas de laboratorio

(52)

52

címenes de prueba preparados. Finalmente se determina el contenido óptimo de refuerzo PET en tiras para alcanzar la máxima resistencia al corte y resistencia a la compresión no confinada.

La prueba de compresión no confinada fue realizado conforme a las especificaciones de la norma INV E 152. La prueba de compresión no confinada es un método de prueba de laboratorio simple para determinar rápidamente la resistencia a la compresión no confinada de un suelo y una roca. En el caso del suelo, esta prueba se puede hacer si el suelo es de grano fino y posee suficiente cohesión. El resultado de la prueba se utiliza para calcular la compresión no drenada del suelo en condiciones no confinadas (Gangopadhyay, 2013).

La resistencia a la compresión no confinada (σ1) es una medida de la carga por unidad de

área en la que la muestra cilíndrica de un suelo cohesivo falla en compresión y esto es Ex-presado por la relación simple:

𝜎𝑢 =𝑞𝑢𝐴 (4)

Donde 𝑞𝑢 es la carga axial a la falla de la prueba de compresión no confinada y A es el área

de la sección corregida del espécimen 𝐴 =(1−𝜀)𝐴0 . 𝐴0 es el área inicial del espécimen y ε es

la deformación axial (∆𝑙/𝑙𝑜).

El aparato para la prueba de compresión no confinada consiste en un bastidor de carga equipado con un cilindro de prueba unido a un indicador de deformaciñon(Fotografía 8). La prueba se realiza en un espécimen cilíndrico (de longitud 2 a 2½ veces de diámetro) colocado en conos ahuecados para mantener las restricciones de desplazamiento (condición de apoyo) hasta que la muestra de suelo falle debido al corte a lo largo de un plano crítico. La carga normal (σ1) se aplica desde el marco de carga a través del cilindro de prueba para medir la deformación de la muestra de suelo, pero no hay presión horizontal limitada aplicada en esta celda de la muestra, a diferencia de la muestra triaxial. Por lo tanto, la prueba no está confinada y es uniaxial en la que:

(53)

53

La carga continúa hasta que los valores de carga disminuyen o permanecen constantes al aumentar la deformación, o hasta que alcanzan una deformación axial del 20% (a veces, el 15%). En este estado, se considera que la muestra de suelo está en falla y la resistencia al corte no drenada del suelo (𝑠𝑢) es igual a la mitad de la compresión no confinada fuerza. Por lo tanto:

𝑠𝑢 =𝜎12 (6)

Donde σ1 es la resistencia a la compresión no confinada.

Fotografía 11. Aparato de prueba de la resistencia a la compresión no confinada del suelo, Universidad de

(54)

54 Tabla 2: Datos del límite liquido

7. ANALISIS DE RESULTADOS

Suelo de análisis

Las muestras fueron clasificadas previamente en campo como suelo arcilloso de alta plasti-cidad (CH), ya que este material fue previamente utilizado para procedimientos en el labo-ratorio de suelos de la Universidad de Ibagué el cual era utilizado para fines educativos.

Cabe resaltar que las muestras se introdujeron en el horno para hacer el proceso de disgre-gado porque que tenían forma de terrones, lo que dificultaba su manipulación, luego de esto se tamizaron únicamente por la malla #6 con el fin de quitar gravas y material orgánico, y se procede a pulverizar el material retenido en la malla #6 hasta obtener la cantidad de ma-terial requerida para la elaboración de los ensayos, posteriormente se desecha el mama-terial sobrante.

A partir de los datos de la tabla 2 se construye la gráfica de la curva de fluidez:

Recipiente N° A B C

Peso del suelo Humedo + recipiente 18,52 16,37 14,91

Peso del suelo Seco + recipiente 13,62 12,21 11,27

Peso del recipiente 5,51 5,17 4,86

Peso del suelo Seco 8,11 7,04 6,41

Peso del agua 4,9 4,16 3,64

Contenido de humedad 60,42% 59,09% 56,79%

Numero de golpes, N 34 28 16

DETERMINACIÓN DEL LIMITE LIQUIDO

(55)

55 Ilustración 9: Contenido de humedad Vs número de golpes.

Después de sacar estos datos se obtiene que el contenido de humedad del límite líquido (LL) que es aquel donde el número de golpes (N) es igual a 25. Finalmente, al realizar toda

(56)

56 Ilustración 10: Grafica de plasticidad. (SUCS)

la caracterización se puede obtener que el suelo cuenta con un LL=58.5% y un IP=35,9% se ingresa con dichos valores a la gráfica de plasticidad.

Se puede observar perfectamente que el suelo de análisis se encuentra sobre la línea A que es la encargada de separar las arcillas de los limos, más exactamente en la zona que deno-mina las arcillas de alta plasticidad (CH).

Gravedad especifica

Posterior a la caracterización se realizaron dos mediciones para obtener la densidad de sóli-dos (Gs) del suelo, la cual se obtuvo a partir de la media aritmética de las mediciones, la que se tomó como la densidad de nuestro suelo fino.

Limite Liquido 58,50%

Limite plastico 22,60%

(57)

57

Fotografía 12 Picnómetro para la Gs

En las pruebas se usó la energía de compactación especifica de 13,7 kg∙cm/cm3, llevando así la a densidad de sólidos que fue de 2.425g/cm3.

Curva de compactación

Al realizar el ensayo, se obtuvieron los datos que se mostraran a continuación junto con si respectiva grafica la cual es llamada la curva de compactación.

Temperatura (°C)

Factor (K)

Peso Seco (gr)

Picnometro + Agua (muestra gr)

Picnometro + Agua (gr)

Humedad Optima

(%)

Densidad Seca Max (g/cm3)

26 0,99884 176,7 763,5 659,4 23,30 1,14

(58)

58 Tabla 4: Datos de entrada el ensayo Proctor.

Usando los datos de la tabla, se graficó la densidad seca contra la humedad optima, con esto se puede observar fácilmente el pico que caracteriza la curva de compactación, la cual es la humedad optima del suelo.

Descripcion Und Humedo Optimo Seco

W.molde + muestra Humeda g 12357 12581 11098

Peso del molde g 7847 7645 6820

Volumen del molde cm3 3254,21 3234,8 3256,5

Peso del Suelo Humedo g 4510 4936 4278

Tara + Suelo Humedo g 142,6 140,21 148,78

Tara + Suelo Seco g 113,84 119,74 128,9

Tara g 4,2 3,9 4,1

Suelo Seco g 109,64 115,84 124,8

Agua g 28,76 20,47 19,88

W % 26,23 17,67 15,93

Densidad Humeda gr/cm3 1,385 1,517 1,313

Densidad Seca gr/cm3 0,988 1,079 1,017

ENSAYO DE PROCTOR NORMAL

(59)

59

La necesidad de la humedad optima radica en que esta es necesaria para realizar el ensayo de compresión no confinada, debido a que este será el porcentaje de agua que se le tendrá que agregar al suelo para realizar las probetas de análisis. En la gráfica se puede observar el punto en donde la densidad seca del suelo es óptima (1.08 g/cm3) corta con el contenido de humedad óptimo que es de 22.2%. Para facilitar el procedimiento se utilizará el contenido de humedad optimo como 22%, esto para realizar los especímenes.

Características de los especímenes

A continuación, se presentarán las características de las probetas. En esta sección se mos-trará solo un ejemplo, el resto de las tablas se ubicarán en los anexos.

(60)

60 Prueba de compresión no confinada

Al realizar el montaje de compresión no confinada, se graficaron los esfuerzos desviadores contra la deformación del espécimen, con esto se pueden detallar muy bien el comporta-miento de la probeta, más específicamente del fenómeno esfuerzo-deformación de los espe-címenes reforzados y no reforzados con fibras de polietileno tereftalato.

A continuación, se presentarán las fotos de algunos especímenes además de las gráficas de las 3 probetas por porcentaje de fibras, debido a que es necesario hacer un promedio del comportamiento cada espécimen porcentaje de fibras para el valor para representar adecua-damente lo que pasa en el conjunto de datos.

(61)

61

Fotografía 13 Montaje experimental de compresión no confinada.

La siguiente tabla corresponde a los datos de entrada para realizar las gráficas, aclarando que las dimensiones de todas las probetas tenían 4,4 cm de diámetro, y 11 cm de alto, tam-bién se muestran los datos necesarios para realizar las gráficas de esfuerzo versus deforma-ción además de las lecturas de fuerza que se le aplica a la probeta para hallar los esfuerzos desviadores y cortantes. Debido a que sé que se elaboraron 45 probetas las demás tablas se pondrán en anexos.

(62)

62

Para la correcta realización de la hoja de cálculo se utilizaron las siguientes ecuaciones nú-mero 5,6,7 y 8 que se encuentran en la metodología, las cuales corresponden a deformación unitaria, área corregida, esfuerzo desviador y máxima resistencia al corte respectivamente. Dado que las dimensiones de las probetas con constantes y varían muy poco una con la otra se normalizo el largo como 11cm y el diámetro como 4.5 cm para facilidades en el proce-dimiento.

Ilustración 15: Circulo de Mohr típico del material.

Con respecto al círculo de Mohr, debido a que estamos tratando con arcillas de alta plasti-cidad (CH) el Angulo de fricción interna del suelo es cero, lo que quiere decir que dos ve-ces el radio del círculo equivale a qu, de tal modo que Cu = R, de donde podemos concluir que Cu = qu/2.

Por lo que no se podrán los círculos de esfuerzo, debido a que se deduce que Cu = qu/2, en su lugar se mostrara una gráfica típica de los esfuerzos.

A continuación, se mostrarán las gráficas de esfuerzo deformación con diferentes compac-taciones, luego de analizar las gráficas se tomó la resistencia al corte promedio de las gráfi-cas de las tres probetas:

Especímenes compactados con 0,3% de adición de inclusiones de PET.

(63)

63

Resistencia al corte promedio  0.140 (kg/cm2)

lustración 17: Grafica esfuerzo – deformación con 0,3% a 25 Golpes.

Resistencia al corte promedio  0.170 (kg/cm2)

(64)

64

Resistencia al corte promedio  0.185 (kg/cm2)

Especímenes compactados con 0,5% de adición de inclusiones de PET.

Resistencia al corte promedio  0.158 (kg/cm2)

Ilustración 19: Grafica esfuerzo – deformación con 0,5% a 15 Golpes

(65)

65

Resistencia al corte promedio  0.182 (kg/cm2)

Resistencia al corte promedio  0.192 (kg/cm2)

Especímenes compactados con 0,8% de adición de inclusiones de PET.

Ilustración 21: Grafica esfuerzo – deformación con 0,5% a 56 Golpes.

(66)

66

Resistencia al corte promedio  0.185 (kg/cm2)

Resistencia al corte promedio  0.194 (kg/cm2)

Ilustración 22: Grafica esfuerzo – deformación con 0,8% a 15 Golpes

Ilustración 23: Grafica esfuerzo – deformación con 0.8% de PET a 25 Golpes.

(67)

67

Resistencia al corte promedio  0.222 (kg/cm2)

Especímenes compactados con 1,0% de adición de inclusiones de PET.

Resistencia al corte promedio  0.210 (kg/cm2)

(68)

68

Resistencia al corte promedio  0.220 (kg/cm2)

Resistencia al corte promedio  0.235 (kg/cm2)

Especímenes compactados con 1,2% de adición de inclusiones de PET.

Ilustración 44: Grafica esfuerzo – deformación con 1% de PET a 25 Golpes.

(69)

69

Resistencia al corte promedio  0.237 (kg/cm2)

Resistencia al corte promedio  0.275 (kg/cm2)

Ilustración 46: Grafica esfuerzo – deformación con 1,2% de PET a 15 Golpes.

(70)

70

 Probetas con 1.2% de peso de tiras de PET:

Resistencia al corte promedio  0.330 (kg/cm2).

Al observar las gráficas de esfuerzo vs deformación se puede observar que los ensayos de compresión no confinada realizados, las probetas con poco reforzamiento fibroso (0,3%); llegan a la falla cuando alcanzan una resistencia promedio de 0.140 kg/cm2; por el contra-rio, las probetas con un mayor porcentaje de reforzamiento (1,2%) llegan a la falla al alcan-zar una resistencia promedio de 0,330 kg/cm2.

Tabla 5: Resistencia al corte para probetas con 0% de adición

Compactación Resistencia al Corte maxima

(kg/cm2)

15 Golpes por Capa 0,112

25 Golpes por Capa 0,127

56 Golpes por Capa 0,142

PROMEDIO 0,127

Especimenes con 0% de adicíon de PET

(71)

71

Esto sugiere que al hacer pocas inclusiones de PET el suelo no tiene tanta variación en cuando a su máxima resistencia al corte por lo que la compactación es el único factor influ-yente para que esta aumente.

Tabla 6 Promedio de máxima resistencia al corte con baja inclusión de PET.

Por otro lado, se puede notar que cuanta adición de fibras de PET los especímenes de suelo tendrán mejor comportamiento en su máxima resistencia al corte, teniendo en cuenta que cuanta más compactación, esta aumenta considerablemente. Esto se puede observar en la siguiente tabla:

Tabla 7: Máxima resistencia al corte por compactación.

Para tener una información más detallada acerca del comportamiento de cada espécimen se mostrarán a continuación las gráficas del incremento porcentual de cada probeta con su estado de compactación:

Compactación Resistencia al Corte maxima (kg/cm2)

15 Golpes por Capa 0,140

25 Golpes por Capa 0,170

56 Golpes por Capa 0,185

PROMEDIO 0,165

Especimenes con 0,3% de adicíon de PET

Compactación Resistencia al Corte maxima (kg/cm2)

15 Golpes por Capa 0,237

25 Golpes por Capa 0,275

56 Golpes por Capa 0,330

PROMEDIO 0,281

(72)

72 Tabla 8: Incremento porcentual por espécimen a una compactación de 15 golpes por

capa.

Ilustración 25: Grafica del Incremento porcentual por espécimen a una compactación de 15 golpes por capa.

Esta grafica nos muestra que la variación del porcentaje de adición de PET para las probe-tas compactadas a 15 golpes presenta un incremento lineal, iniciando en una resistencia al corte de 0,112 kg/m2 para las probetas sin PET y alcanzando una resistencia de 0,237 kg/m2 para las probetas con un 1,2% de adición de PET.

PORCENTAJE DE ADICIÓN RESISTENCIA AL CORTE

(kg/cm2)

INCREMENTO PORCENTUAL

0,00% 0,1120 0

0,30% 0,1400 25,00%

0,50% 0,1580 12,86%

0,80% 0,1850 17,09%

1,0% 0,2100 13,51%

1,20% 0,2370 12,86%

111,61% PROBETAS COMPACTADAS A 15 GOLPES

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...