Caracterización geotécnica de estructuras multicapas en centrífuga empleando ondas de superficie

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO CIVIL Y AMBIENTAL. TESIS DOCTORAL Presentada por: CAROL ANDREA MURILLO FEO Para la obtención del grado de: GRADO DE DOCTOR EN INGENIERIA Área: Geotécnia Título: CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE ESTRUCTURAS MULTICAPAS EN CENTRIFUGA EMPLEANDO ONDAS DE SUPERFICIE DIRECTOR: Dr. BERNARDO CAICEDO DEFENSA PÚBLICA ABRIL 19 DE 2006 Auditorio LLeras Universidad de los Andes Dr.LUC THOREL Dr.ANTONIO GOMES CORREIA Dr. LUDWING FIGEROA Dr.ARCESIO LIZCANO Ing. ALBERTO SARRIA.

(2) A la memoria de mi hermano, Juan Felipe A mis padres Y a Dios. El éxito consiste en obtener lo que se desea. La felicidad, en disfrutar lo que se obtiene. Ralph Waldo Emerson.

(3) AGRADECIMIENTOS. Este trabajo de Tesis no hubiera podido realizarse sin la ayuda y colaboración de numerosas personas. La Tesis fue financiada por COLCIENCIAS , Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología "Francisco José de Caldas" en su programa de apoyo a estudiantes doctorales nacionales. En primer lugar quiero agradecer al Doctor Bernardo Caicedo quien con su apoyo y colaboración me permitió desarrollar este trabajo de Tesis. Durante los cuatro años de trabajo pude apreciar su conocimiento su rigor científico así como su apoyo moral en momentos difíciles. Quiero agradecer de manera muy afectuosa al Doctor Luc Thorel jefe de la Sección de Centrifuga y Suelos del Laboratoire Centrale des Ponts et Chausseés (Nantes – Francia) Sus conocimientos científicos, su experiencia y su confianza fueron claves para el desarrollo de este trabajo. Igualmente quiero agradecer al Doctor Jacques Garnier jefe de la División de Mecánica de suelos del Laboratoire Centrale des Ponts et Chausseés (Nantes – Francia) por haberme permitido realizar la pasantía de un año en su división. Así mismo quiero agradecer al equipo de la sección de centrifuga por su ayuda incondicional, el programa experimental nunca hubiese podido realizar sin su ayuda. Agradezco a Claude Favraud, Patrick Gaudicheau, Celine Boura, Nawel Chenaf, Sandra Escoffier Khaled Boussaid, Jean-Louis Chazelas, Gérard Rault y Simone Chevalier. Agradezco de igual manera a la Ecole Centrale de Nantes, especialmente al Doctor Cristophe Dano y a Mohammad Sharifipour por su colaboración prestada. Igualmente agradezco a la Universidad de los Andes y al equipo de laboratorio del CIMOC especialmente quiero agradecer a Julieth Monroy por su colaboración prestada. Muy especialmente quiero agradecer al Ing. Julian Tristancho quien no solo con sus conocimientos científicos si no por su respaldo incondicional me presto todo su apoyo. Por último agradezco a Dios y mi familia y a todas las personas que de una u otra forma me apoyaron en estos cuatro años por los cuales pase por momentos muy difíciles a nivel personal..

(4) LISTA DE FIGURAS Figura 2-1. Preparación de la mezcla ..................................................................................... 4 Figura 2-2. Consolidación método de Asaoka ....................................................................... 4 Figura 2-3. Variación de los niveles de compactación para el suelo A3............................... 5 Figura 2-4. Variación de los niveles de compactación para el suelo B31 ............................. 5 Figura 2-5. Curvas Granulométricas ...................................................................................... 7 Figura 2-6. Curvas Próctor ..................................................................................................... 8 Figura 2-7. Resultados IPI suelos B6 y B31......................................................................... 10 Figura 2-8. Suelo B31........................................................................................................... 11 Figura 2-9. Estructura B31P/A3 ........................................................................................... 11 Figura 2-10. Estructura Tricapa............................................................................................ 11 Figura 2-11. Muestras de estructura bicapa y tricapa.......................................................... 12 Figura 2-12. Resultados de los ensayos triaxiales, Suelos A3, B6 y B31 ............................ 15 Figura 2-13. Probetas suelos A3, B6 y B31 al final de los ensayos triaxiales UU............... 16 Figura 2-14. Penetrómetro.................................................................................................... 17 Figura 2-15.Perfil penetrométrico para el suelo A3 ............................................................. 19 Figura 2-16 Perfil penetrométrico para el suelo B6 ............................................................. 19 Figura 2-17.Perfil penetrométrico para el suelo B31 ........................................................... 20 Figura 2-18.Perfil penetrométrico para la estructura B6-A3................................................ 20 Figura 2-19.Perfil penetrométrico para la estructura B31P-A3............................................ 21 Figura 2-20.Perfil penetrométrico para la estructura B31H-A3 ........................................... 21 Figura 2-21 Perfil penetrométrico para la estructura Tricapa............................................... 22 Figura 2-22. Fuerzas actuantes en un tubo capilar ............................................................... 24 Figura 2-23. Efectos del radio y la altura en la capilaridad (Taylor 1948)........................... 26 Figura 2-24.Esquema de placa porosa.................................................................................. 27 Figura 2-25. Esquema del ensayo de papel filtro ................................................................ 28 Figura 2-26. Curvas de calibración para dos tipos de papel filtro........................................ 29 Figura 2-27. Equipo utilizado en transferencia de vapor.................................................... 31 Figura 2-28. Prensa de compactación para muestras pequeñas............................................ 32 Figura 2-29. Muestras de suelo obtenidas ............................................................................ 32 Figura 2-30. Placa porosa ..................................................................................................... 33 Figura 2-31. Montaje para el ensayo de transferencia de vapor. Muestras de suelo B31 .... 35 Figura 2-32. Succión matricial con el método de la placa porosa Suelo A3....................... 36 Figura 2-33. Succión matricial con el método de la placa porosa Suelo B6 ....................... 36 Figura 2-34. Succión matricial con el método de la placa porosa Suelo B31 ..................... 37 Figura 2-35. Curva de retención de agua para el suelo A3 -. Método del papel filtro. ........ 39 Figura 2-36. Curva de retención de agua para el suelo B6- Método del papel filtro. ......... 40 Figura 2-37. Curva de retención de agua para el suelo B31- Método del papel filtro. ....... 41 Figura 2-38. Curva de retención de agua suelo A3-Método de transferencia de Vapor ...... 43 Figura 2-39. Curva de retención de agua suelo B6-Método de transferencia de Vapor....... 44 Figura 2-40. Curva de retención de agua suelo B31-Método de transferencia de Vapor..... 45 Figura 2-41. Curva característica suelo A3 ......................................................................... 45.

(5) Figura 2-42. Curva característica suelo B6 ......................................................................... 46 Figura 2-43. Curva característica suelo B31 ....................................................................... 46 Figura 2-44. Comparación curva característica para todos los suelos................................. 47 Figura 4-1. Dirección de propagación de las ondas sísmicas y de las partículas del medio transmisor ............................................................................................................................. 54 Figura 4-2. Desplazamientos del medio transmisor asociados a la propagación de las ondas ( Woods, 1968) ..................................................................................................................... 56 Figura 4-3. Relación de las velocidades de propagación en función del coeficiente de poisson (Richart, 1970) ........................................................................................................ 58 Figura 4-4. Distribución de energía en el semi espacio debido a una carga armónica) ...... 59 Figura 4-5. Distribución de la potencia debido a una carga circular para un suelo con υ = 1/3 ......................................................................................................................................... 60 Figura 4-6. Propagación de las ondas en un medio homogéneo y en un medio multicapa.. 66 Figura 4-7. Suelo estratificado ............................................................................................. 67 Figura 3-1. Degradación del modulo Gsec............................................................................. 80 Figura 3-2.Ensayos de laboratorio de dinámica de suelos ................................................... 81 Figura 3-3. Configuración ensayo triaxial cíclico ................................................................ 82 Figura 3-4. Equipo Grindo Sonic ......................................................................................... 83 Figura 3-5. Bender extender elements.................................................................................. 85 Figura 3-6. Montaje de los Bender elements en la cámara triaxial. ..................................... 85 Figura 3-7. Configuración eléctrica Bender elements - Ondas P (Lings and Greening. 2001) .............................................................................................................................................. 86 Figura 3-8. Configuración eléctrica Bender elements - Ondas S (Lings and Greening. 2001) .............................................................................................................................................. 86 Figura 3-9. Proceso de obtención de las muestras................................................................ 88 Figura 3-10. Configuración del ensayo- ECN ...................................................................... 89 Figura 3-11. Puntos característicos para determinar los tiempos de propagación............... 91 Figura 3-12. Correlación cruzada ......................................................................................... 93 Figura 3-13. Componentes de la onda de corte. (Rio et al. 2003) ........................................ 94 Figura 3-14. Comparación de tiempos de propagación para ondas pseudo seno y cuadradasSuelo A3 ............................................................................................................................... 96 Figura 3-15. Comparación de tiempos de propagación para ondas pseudo seno y cuadradasSuelo A3 ............................................................................................................................... 96 Figura 3-16. Contenido frecuencial para diferentes tipos de señales ................................... 96 Figura 3-17.Influencia de la frecuencia de excitación.......................................................... 97 Figura 3-18. Velocidad de propagación- Método cresta – cresta. Suelo A3 ........................ 98 Figura 3-19. Velocidad de propagación- Método cresta – cresta. Suelo B6 ........................ 98 Figura 3-20. Velocidad de propagación- Método cresta – cresta. Suelo B31 ...................... 99 Figura 3-21. Variación de la velocidad de propagación de corte para los diferentes métodos de interpretación a) A3-7 cm, b) A3-10 cm.......................................................................... 99 Figura 3-22. Variación de la velocidad de propagación de corte para los diferentes métodos de interpretación a) B6-7cm, b) B6-10 cm, ....................................................................... 100 Figura 3-23. Variación de la velocidad de propagación de corte para los diferentes métodos de interpretación a) B31-7cm, b) B31-10 cm ..................................................................... 100.

(6) Figura 3-24. Evolución de la velocidad de propagación ondas de corte Vs....................... 102 Figura 3-25. Evolución de la velocidad de compresión ..................................................... 104 Figura 3-26. Módulos G ..................................................................................................... 106 Figura 3-27. Módulos E...................................................................................................... 107 Figura 3-28. Comparación de Módulos E .......................................................................... 108 Figura 3-29. Relación de Poisson υ.................................................................................... 109 Figura 3-30. Módulos E...................................................................................................... 110 Figura 3-31. Perfil G........................................................................................................... 111 Figura 5-1. Comparación de la variación de esfuerzos entre el prototipo el modelo (Taylor,1995)...................................................................................................................... 115 Figura 5-2. Centrifuga LCPC- Francia ............................................................................... 119 Figura 5-3. Esquema de la centrifuga del L.C.P.C ............................................................. 120 Figura 5-4. Rango de utilización de la centrifuga del L.C.P.C........................................... 121 Figura 5-5. Equipo FWD .................................................................................................... 122 Figura 5-6. Deflexiones generadas por el impacto ............................................................. 122 Figura 5-7. Esquema Mini-FWD........................................................................................ 124 Figura 5-8. Equipo Mini FWD y controlador..................................................................... 125 Figura 5-9. Celda de carga Omega ..................................................................................... 126 Figura 5-10. Tarjeta de adquisición NI 4472...................................................................... 127 Figura 5-11. Ventana del programe de adquisición de datos (mFWD-01) ........................ 127 Figura 5-12. Visualización de datos en tiempo real durante el ensayo .............................. 128 Figura 5-13. Montaje del mini-FWD en centrifuga............................................................ 129 Figura 5-14. Localización de los acelerómetros en el modelo ........................................... 130 Figura 5-15. Mini Fwd en centrifuga ................................................................................. 130 Figura 5-16. Efecto de Aliasing.......................................................................................... 133 Figura 5-17. Análisis del ruido en las señales registradas.................................................. 134 Figura 5-18. Ruido eléctrico detectado para los diferentes sensores.................................. 135 Figura 5-19. Ruido ambiental registrado............................................................................ 136 Figura 5-20. Influencia del orden para el filtro Butterworth .............................................. 138 Figura 5-21. Filtrado de señales con un filtro tipo FIR pasa altos..................................... 139 Figura 5-22. Espectro de Fourier para diferentes suelos luego de aplicar el filtro FIR..... 140 Figura 5-23. Longitudes de onda en función de la frecuencia d excitación y velocidad de propagación ........................................................................................................................ 141 Figura 5-24. Cepstre y auto correlación BB31H – CH1 .................................................... 143 Figura 5-25. Cepstre y auto correlación B31 – CH1 .......................................................... 144 Figura 5-26. Cepstre y auto correlación Tricapa– CH1 ..................................................... 144 Figura 5-27. Cepstre y auto correlación Tricapa– CH4 ..................................................... 145 Figura 5-28. Cepstre y auto correlación- Estructura Tricapa– CH3.................................. 145 Figura 5-29. Cepstre y auto correlación Tricapa– CH1 ..................................................... 146 Figura 6-1. Método Steady- State....................................................................................... 150 Figura 6-2. Dispersión de velocidad en un medio estratificado (Rix 1988)....................... 151 Figura 6-3. Ubicación de los sensores para el ensayo del SASW por Hiltunen and Woods (1990) ................................................................................................................................. 152 Figura 6-4. Configuración del ensayo SASW .................................................................... 154.

(7) Figura 6-5. Ubicación de los acelerómetros para los modelos en centrifuga ..................... 155 Figura 6-6. Registro típico señales de aceleración y fuerza -Suelo B31 ............................ 156 Figura 6-7. Curva de dispersión entre sensor 2 y 3. Suelo A3 ........................................... 158 Figura 6-8. a) Fase del espectro cruzado Sensores 2-3. b) Velocidad de fase sensores 2-3 ............................................................................................................................................ 159 Figura 6-9. a) Fase del espectro cruzado Sensores 1-3. b) Velocidad de fase sensores 1-3 ............................................................................................................................................ 159 Figura 6-10. a) Fase del espectro cruzado Sensores 2-4. b) Velocidad de fase sensores 2-4 ............................................................................................................................................ 159 Figura 6-11. a) Fase del espectro cruzado Sensores 1-4. b) Velocidad de fase sensores 1-4 ............................................................................................................................................ 159 Figura 6-12. Curvas de velocidad en función de la frecuencia -Suelo A3 ........................ 160 Figura 6-13. Curvas de velocidad en función de la longitud de onda -Suelo A3.............. 161 Figura 6-14. Curvas de velocidad en función de la frecuencia -Suelo B6 ........................ 162 Figura 6-15. Curvas de velocidad en función de la longitud de onda -Suelo B6 .............. 162 Figura 6-16. Curvas de velocidad en función de la frecuencia -Suelo B31 ...................... 163 Figura 6-17. Curvas de velocidad en función de la longitud de onda -Suelo B31 ............ 163 Figura 6-18. Cura de dispersión obtenida para el suelo B6................................................ 164 Figura 6-19. Curva de dispersión para suelo A3 ............................................................... 165 Figura 6-20. Curvas de dispersión -Suelo B6..................................................................... 165 Figura 6-21. Curvas de dispersión -Suelo B31................................................................... 166 Figura 6-22. Curvas de dispersión –Estructura BB31P...................................................... 167 Figura 6-23. Curvas de dispersión- Estructura BB31P....................................................... 168 Figura 6-24. Curvas de dispersión- Estructura BB31H...................................................... 169 Figura 6-25. Curvas de dispersión- Estructura BB6........................................................... 170 Figura 6-26. Curvas de dispersión Tricapa......................................................................... 171 Figura 6-27. Curva de dispersión estructura A3................................................................. 172 Figura 6-28. Curva de dispersión estructura B6 ................................................................. 172 Figura 6-29. Curva de dispersión estructura B31 ............................................................... 173 Figura 6-30. Curva de dispersión estructura BB31P .......................................................... 174 Figura 6-31. Curva de dispersión estructura BB31H ......................................................... 175 Figura 6-32. Curva de dispersión estructura BB6 .............................................................. 175 Figura 6-33. Curva de dispersión estructura Tricapa ......................................................... 176 Figura 6-34. Comparación de resultados Bender test- SASW- Estructura A3................... 177 Figura 6-35. Comparación de resultados Bender test- SASW- Estructura B6................... 178 Figura 6-36. Comparación de resultados Bender test- SASW-Estructura B31.................. 179.

(8) LISTA DE TABLAS Tabla 2-1. Especificaciones caolín Speswhite....................................................................... 3 Tabla 2-2. Propiedades físicas caolín Speswhite................................................................... 3 Tabla 2-3. Propiedades físicas arena de Missillac................................................................. 3 Tabla 2-4. Parámetros de compactación................................................................................. 6 Tabla 2-5. Estructuras reconstituidas...................................................................................... 6 Tabla 2-6. Valores de azul de metileno .................................................................................. 7 Tabla 2-7. Resultados ensayos Próctor................................................................................... 8 Tabla 2-8. Resultados del ensayo IPI para suelo B6 y B31.................................................... 9 Tabla 2-9. Control de humedades y densidades obtenidas para cada estructura................. 13 Tabla 2-10. Parámetros obtenidos de los ensayos triaxiales ................................................ 16 Tabla 2-11. Características del penetrómetro. ...................................................................... 17 Tabla 2-12. Equipos y técnicas de succión ( Gens and Romero, 2000) ............................... 26 Tabla 2-13. Relación entre la densidad del ácido sulfúrico y la humedades relativas a 20°C .............................................................................................................................................. 30 Tabla 2-14. Variación de humedades al inicio y final del ensayo para el suelo A3............. 38 Tabla 2-15. Variación de humedades al inicio y final del ensayo para el suelo B6 ............. 40 Tabla 2-16. Variación de humedades al inicio y final del ensayo para el suelo B31 ........... 41 Tabla 2-17. Variación de humedades al inicio y final del ensayo para el suelo A3............. 42 Tabla 2-18. Variación de humedades al inicio y final del ensayo para el suelo B6 ............. 43 Tabla 2-19. Variación de humedades al inicio y final del ensayo para el suelo B31 ........... 44 Tabla 4-1. Constantes elásticas............................................................................................. 56 Tabla 4-2. Relación entre parámetros elásticos .................................................................... 57 Tabla 3-1. Rangos de deformación para ensayos de suelos ................................................. 81 Tabla 3-2. Resumen de resultados obtenidos con el equipo Grindo Sonic .......................... 84 Tabla 3-3.Características de las muestras del programa experimental................................. 90 Tabla 3-4. Criterios para la determinación del tiempo de propagación................................ 91 Tabla 3-5. Notación adoptada para los diferentes criterios de determinación del tiempo de propagación .......................................................................................................................... 93 Tabla 3-6. Criterios para el método de la correlación cruzada.......................................... 101 Tabla 3-7. Parámetros velocidad de corte .......................................................................... 104 Tabla 3-8. Parámetros velocidad de compresión................................................................ 105 Tabla 3-9. Parámetros que describen los valores de módulos E en función de σv ............. 106 Tabla 3-10. Parámetros que describen los valores de módulos G en función de σv .......... 107 Tabla 5-1. Leyes de escala para modelos en centrifuga ..................................................... 117 Tabla 5-2. Características de la centrifuga del L.C.P.C ..................................................... 120 Tabla 5-3. Programa experimental ..................................................................................... 132 Tabla 6-1. Estructuras evaluadas con el SASW en centrifuga. ......................................... 155 Tabla 6-2. Distancias evaluadas con SASW ...................................................................... 157.

(9) TABLA DE CONTENIDO Listado de Figuras Listado de Tablas 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1. 2. SUELOS INTERMEDIOS............................................................................................ 1 2.1. Introducción y antecedentes ................................................................................... 1. 2.2 Objetivos y alcances ............................................................................................... 2 2.2.1 Objetivo General ............................................................................................ 2 2.3 Presentación de suelos ............................................................................................ 2 2.3.1 Caolín Speswhite (SPW) ................................................................................ 2 2.3.2 Arena de Missillac (MS) ................................................................................ 3 2.4 Reconstitución de suelos ........................................................................................ 3 2.4.1 Preparación de mezclas .................................................................................. 3 2.4.2 Compactación ................................................................................................. 4 2.4.3 Estructuras reconstituidas ............................................................................... 6 2.5 Caracterización de los materiales ........................................................................... 7 2.5.1 Granulometría (NF P 94-056) ....................................................................... 7 2.5.2 Azul de metileno (NFP 94-068) ..................................................................... 7 2.5.3 Próctor estándar (NFP 94-093)....................................................................... 7 2.5.4 Índice de Portancia Inmediata (NFP 94-078) ................................................. 8 2.6. Control de fabricación de modelos....................................................................... 10. 2.7 Caracterización mecánica de los materiales ......................................................... 14 2.7.1 Ensayos triaxiales (NFP 94-074).................................................................. 14 2.7.2 Ensayos penetrométricos (NFP 94-113)....................................................... 17 2.7.2.1 Resultados................................................................................................. 18 2.8 Succión ................................................................................................................. 22 2.8.1 Teoría de la succión...................................................................................... 22 2.8.1.1 Componentes de la succión ...................................................................... 23 2.8.1.2 Capilaridad ............................................................................................... 24 2.8.2 Técnicas para la medición de la succión en una muestra de suelo ............... 26 2.8.2.1 Placa porosa (ASTM D 2325-68)............................................................ 27 2.8.2.2 Papel Filtro (ASTM D 5298-94) .............................................................. 27 2.8.2.3 Transferencia de vapor ............................................................................. 29 2.8.3 Programa experimental................................................................................. 31 2.8.3.1 Preparación de las muestras...................................................................... 31.

(10) 2.8.3.2 Placa Porosa (ASTM D 2325-68)............................................................ 33 2.8.3.3 Papel Filtro (ASTM D 5298-94) .............................................................. 34 2.8.3.4 Transferencia de vapor ............................................................................. 34 2.8.4 Análisis de resultados ................................................................................... 35 2.8.4.1 Placa porosa (ASTM D 2325-68)............................................................ 35 Suelo A3 ............................................................................................................... 35 Suelo B6 ............................................................................................................... 36 Suelo B31 ............................................................................................................. 37 2.8.4.2 Papel Filtro (ASTM D 5298-94) .............................................................. 37 Suelo A3 ............................................................................................................... 38 Suelo B6 ............................................................................................................... 39 Suelo B31 ............................................................................................................. 41 2.8.4.3 Transferencia de vapor ............................................................................. 42 2.8.4.4 Suelo A3 ................................................................................................... 42 Suelo B6 ............................................................................................................... 43 Suelo B31 ............................................................................................................. 44 2.8.5 Discusión de resultados ................................................................................ 47 2.9. 3. Conclusiones......................................................................................................... 49. PROPAGACIÓN DE ONDAS EN MEDIOS ELÁSTICOS ...................................... 51 3.1. Introducción y antecedentes ................................................................................. 51. 3.2 Objetivos y alcances ............................................................................................. 52 3.2.1 Objetivo General .......................................................................................... 52 3.3 Propagación ondulatoria – ondas sismicas ........................................................... 52 3.3.1 Ondas Internas .............................................................................................. 55 3.3.1.1 Ondas de Compresión (P)......................................................................... 55 3.3.1.2 Ondas de Corte (S) ................................................................................... 55 3.3.1.3 Constantes Elásticas ................................................................................. 56 3.3.2 Ondas Superficiales ...................................................................................... 58 3.3.2.1 Ondas de Rayleigh.................................................................................... 58 3.3.2.2 Ondas Love............................................................................................... 60 3.3.2.3 Ondas Stoneley ......................................................................................... 60 3.4. Ecuaciones del movimiento ondulatorio en un medio homogéneo...................... 60. 3.5. Propagación de ondas en un medio elástico multicapa ........................................ 64. 3.6. Formulación matematica de las matrices de rigidez (KAUSEL- ROESSET (1981) 66 3.6.1 Matriz de rigidez........................................................................................... 69 3.6.1.1 Solución Exacta ........................................................................................ 70 1.6.1.1.1 Matriz rigidez ondas de compresión..................................................... 71.

(11) 1.6.1.1.2 Matriz rigidez ondas de compresión..................................................... 73 3.6.1.2 Solución Discreta...................................................................................... 74 3.6.1.3 Cargas externas......................................................................................... 75 3.7. Conclusiones......................................................................................................... 76. 4 COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LOS SUELOS INTERMEDIOS EN PEQUEÑAS DEFORMACIONES ..................................................................................... 78 4.1. Introducción y antecedentes ................................................................................. 78. 4.2 Objetivos y alcances ............................................................................................. 78 4.2.1 Objetivo General .......................................................................................... 78 4.3 Comportameinto dinámico de suelos intermedios no saturados .......................... 78 4.3.1 Parámetros elásticos ..................................................................................... 79 4.3.1.1 Modulo de Corte....................................................................................... 79 4.4 Propiedades dinámicas de los suelos- laboratorio. ............................................... 80 4.4.1 Columna Resonante (ASTMD- 4015-92)..................................................... 82 4.4.2 Triaxial cíclico (ASTMD- 5311-92) ............................................................ 82 4.4.3 Ultrasonic test ............................................................................................... 83 4.4.4 Bender elements ........................................................................................... 84 4.5 Preparación de muestras ....................................................................................... 87 4.5.1 Preparación de mezclas ................................................................................ 87 4.5.2 Compactación ............................................................................................... 87 4.5.3 Muestras ....................................................................................................... 87 4.6. Programa experimental- Bender extender elements............................................. 89. 4.7. Distancia de propagación...................................................................................... 90. 4.8 Métodos para determinar el tiempo de propagación ............................................ 90 4.8.1 Métodos temporales...................................................................................... 91 4.8.1.1 Inversión ................................................................................................... 92 4.8.1.2 Primer punto en el eje............................................................................... 92 4.8.1.3 Cresta- Cresta ........................................................................................... 92 4.8.2 Método Correlación cruzada ........................................................................ 92 4.9 Interpretación de resultados.................................................................................. 93 4.9.1 Efecto del campo cercano (Near field) ......................................................... 94 4.9.2 Influencia de la forma de la señal de excitación........................................... 95 4.9.3 Influencia de la frecuencia de excitación ..................................................... 97 4.9.4 Influencia de los métodos de interpretación ................................................ 99 4.10 Discusión de resultados ...................................................................................... 101 4.10.1 Velocidad de corte Vs ................................................................................. 101 4.10.1.1 Suelo A3 ............................................................................................. 102 4.10.1.2 Suelo B31 ........................................................................................... 103.

(12) 4.10.1.3 Suelo B6 ............................................................................................. 103 4.10.2 Velocidad de compresión Vp...................................................................... 104 4.10.3 Módulos de Corte G ................................................................................... 105 4.10.4 Módulos E .................................................................................................. 107 4.10.5 Coeficiente de Poisson ............................................................................... 109 4.10.6 Interpretación de resultados en esfuerzos efectivos ................................... 109 4.10.7 Perfil G ...................................................................................................... 110 4.11 5. Conclusiones y perspectivas............................................................................... 111. MODELACIÓN EN CENTRIFUGA DE LA PROPAGACION DE ONDAS ........ 113 5.1. Introducción y antecedentes ............................................................................... 113. 5.2 Objetivos y alcances ........................................................................................... 113 5.2.1 Objetivo General ........................................................................................ 113 5.3 Evolución del uso de las centrifuga en geotécnica ............................................. 114 5.3.1 Leyes de escala ........................................................................................... 114 5.3.2 Efectos de escala......................................................................................... 117 5.3.2.1 Tamaño de los granos ............................................................................. 117 5.3.2.2 Campo de aceleración rotacional............................................................ 118 5.3.2.3 Efecto de Coriolis ................................................................................... 118 5.4. La centrifuga del L.C.P.C (nantes- Francia)...................................................... 119. 5.5 Dispositivo experimental.................................................................................... 121 5.5.1 Principio ..................................................................................................... 121 5.5.2 Concepción Mini- FWD ............................................................................. 123 5.5.3 Instrumentación .......................................................................................... 125 5.5.3.1 Celda de carga ........................................................................................ 125 5.5.3.2 Acelerómetros......................................................................................... 126 5.5.3.3 Sensor óptico .......................................................................................... 126 5.5.3.4 Tarjeta de adquisición............................................................................. 126 5.5.3.5 Programa de adquisición de datos .......................................................... 127 5.5.3.6 Montaje en centrifuga............................................................................. 128 5.6. Programa experimental....................................................................................... 131. 5.7 Interpretación de resultados................................................................................ 132 5.7.1 Criterio de Nyquist ..................................................................................... 132 5.7.2 Ruido .......................................................................................................... 133 5.7.2.1 Registro de ruido .................................................................................... 134 5.7.2.2 Filtros...................................................................................................... 137 5.7.2.2.1 Tipos de filtro ................................................................................... 137 5.7.2.3 Filtrado de señales .................................................................................. 138 5.7.3 Influencia de las paredes del contenedor en los resultados ........................ 141 5.7.3.1 Detección de ECOS ................................................................................ 142.

(13) 1.7.3.1.1 Auto correlación .................................................................................. 142 1.7.3.1.2 Cepstre ................................................................................................. 142 1.7.3.1.2 Detección de ecos en los ensayos realizados.................................... 143 5.8 6. Conclusiones....................................................................................................... 147. INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS UTILIZANDO LA TÉCNICA SASW 149 6.1. Introducción y antecedentes ............................................................................... 149. 6.2 Objetivos y alcances ........................................................................................... 149 6.2.1 Objetivo General ........................................................................................ 149 6.3 Análisis espectral de ondas de superficie - sasw ................................................ 150 6.3.1 “Steady – state” .......................................................................................... 150 6.3.2 Descripción del método SASW.................................................................. 151 6.4. Análisis inverso .................................................................................................. 154. 6.5 Interpretación de resultados................................................................................ 157 6.5.1 Cálculo de curvas de dispersión ................................................................. 157 6.5.1.1 Estructuras conformadas por un solo tipo de material ........................... 157 6.5.1.2 Estructuras multicapas............................................................................ 166 6.5.2 Discusión de resultados .............................................................................. 171 6.5.3 Comparación de resultados Bender test- SASW ........................................ 177 6.6. Conclusiones....................................................................................................... 179. 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................ 182. 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 186.

(14) Murillo Carol. 1 INTRODUCCIÓN Los modelos físicos en centrífuga han sido utilizados en diferentes campos (cimentaciones, túneles, etc). En general estos modelos corresponden a problemás de estabilidad y comportamiento a la ruptura de suelos. En este trabajo queremos estudiar la posibilidad de utilizar la modelación física en centrífuga para problemás en los que la deformabilidad de los suelos es el factor preponderante como por ejemplo las estructuras multicapas que se asemejen a una estructura de pavimento. Las estructuras de pavimento están sometidas a dos tipos de solicitaciones que afectan la vida útil de las mismás. Por una lado están las cargas dinámicas generadas por el paso de los vehículos y por otro la solicitación climática generada por cambio en las condiciones ambientales (humedad y temperatura principalmente). El estudio de estas dos variables es por lo tanto indispensable para entender de manera correcta el comportamiento de las estructuras de pavimento. Tradicionalmente para el estudio de los pavimentos se han empleado metodologías que permiten determinar la respuesta y el comportamiento de una estructura de pavimento a escala real sometida a condiciones de carga controladas en un periodo de tiempo determinado. Este tipo de metodologías son conocidas como ALT (Accelerated Load Testing). Esta técnica permite estudiar el efecto de las cargas en la estructura pero no permite estudiar la evolución de las condiciones ambientales en forma acelerada ya que en modelos de escala 1:1 este proceso es muy lento. De esta forma en la modelación a escala real de estructuras de pavimento se trabaja de manera desacoplada con dos escalas de tiempo: escala acelerada para las cargas y escala real para las condiciones ambientales. Por lo anterior es necesario buscar nuevas herramientas que permitan combinar el efecto de las cargas dinámicas y ambientales para estudiar el comportamiento de estructuras de pavimentos. El uso de la modelación física en centrifuga surge como alternativa para estudiar el comportamiento de estructuras de pavimentos a escala reducida. La modelación en centrífuga permitiría estudiar el efecto de las cargas y la influencia de las variaciones climáticas utilizando la misma escala de tiempo. La construcción de una cámara de simulación climática permitiría evaluar la evolución del comportamiento de un modelo sometido a factores ambientales. El primer paso entonces, para simular una estructura de pavimento en centrifuga es reproducir de manera aproximada los materiales que conforman las diferentes capas de la estructura. Los materiales que tradicionalmente hacen parte de una estructura de pavimento flexible son los suelos de la PST (“Partie superieure du terrasement”,Parte superior de la rasante), la capa de forma o subrasante mejorada, los materiales granulares y las capas asfálticas. En Introducción-1.

(15) Murillo Carol. este trabajo nos concentraremos en el comportamiento de los materiales de la subrasante, capa de conformación y de algunos materiales granulares. Un pavimento es un estructura multicapa, por lo tanto de ahora en adelante hablaremos de estructuras multicapas. La mayoría de los problemás geotécnicos estudiados en centrifuga son modelados para dos tipos de suelos: arcillas o arenas en estado seco o saturado. Sin embargo los materiales que conforman las capas de estructuras de pavimentos son mezclas de material granular y fino y generalmente se encuentra en estado parcialmente saturado. Por lo anterior el estudio de materiales intermedios no saturados debe realizarse. Este será uno de los objetivos principales de este trabajo de tesis como primera aproximación. Suelos intermedios conformados por arena de Missillac y caolín Speswhite serán estudiados en esta investigación. La combinación de estos tipos de suelos en estado no saturado podría ser por lo tanto una buena aproximación para simular el comportamiento mecánico de los materiales usados en capas de estructuras de pavimentos. La humedad en un suelo puede verse afectada al existir cambios ambiéntales y/o aplicaciones de carga. El contenido de agua inicial en un suelo compactado está relacionado directamente con el nivel de succión de este. El estudio de la succión en los suelos intermedios también será objeto de estudio en este trabajo. La caracterización de las estructuras multicapas es otro factor importante a tener en cuenta en la modelación en centrifuga. Las técnicas tradicionales empleadas en centrifuga no permiten caracterizar el comportamiento de los modelos en pequeñas deformaciones. Las técnicas son intrusivas y alteran las condiciones iniciales del modelo. Por lo anterior es necesario buscar nuevas técnicas que permitan evaluar un modelo sin modificarlo. La caracterización de las propiedades mecánicas en estructuras geotécnicas es uno de los objetivos principales de la ingeniería tradicional. Diferentes técnicas y metodologías usadas en laboratorio e in situ han venido siendo desarrolladas para identificar las propiedades de los suelos. Ensayos como el cross-hole, el downhole son ejemplos típicos de técnicas que basan su teoría en la propagación de ondas. Sin embargo este tipo de ensayos alteran las condiciones iniciales del medio. En los últimos años las investigaciones han centrado su atención en el desarrollo de técnicas no destructivas que permiten determinar las propiedades de depósitos de suelos o de estructuras geotécnicas sin alterar sus condiciones in situ. La propagación de ondas es una herramienta que ha permitido estudiar el comportamiento de los suelos sometidos a problemás dinámicos. Las vibraciones y la solicitación del tráfico son algunos de los ejemplos de problemás dinámicos que se manejan en geotécnia. Las solicitaciones debido al paso de los vehículos afectan la vida útil de una estructura de pavimento. Por esta razón el estudio del comportamiento de los suelos en pequeñas deformaciones (10-6) es muy importante. En laboratorio técnicas como el Bender elements han sido desarrolladas para determinar los parámetros elásticos en muestras de suelos.. Introducción-2.

(16) Murillo Carol. El empleo de ondas de superficie para caracterizar depósitos de suelos ha sido implementado en las últimás décadas y se ha convertido en una herramienta indispensable en geofísica. El estudio teórico de las ondas de superficie permitió implementar un método no destructivo el cual permite determinar la variación de las velocidades de propagación de ondas de corte en medios estratificados. Este método es conocido como el SASW (Análisis espectral de ondas de superficie) El desarrollo de un equipo no destructivo capaz de generar cargas de corto impacto y la implementación de técnicas de análisis basadas en la propagación de ondas de superficie en centrifuga es el segundo objetivo de este trabajo. El diseño y construcción de un equipo que llamaremos mini-FWD fue diseñado para el desarrollo de esta investigación. La funcionalidad del equipo y la validación de los resultados con la técnica de interpretación empleada serán corroboradas con ensayos de laboratorio los cuales determinaran el rango de aplicación de la metodología empleada. Las razones expuestas anteriormente motivaron a desarrollar este trabajo de tesis. El trabajo esta divido en seis capítulos en los cuales se describe de manera detallada cada uno de los pasos que permitieron llevar a cabo el desarrollo de la investigación. Finalmente un capitulo de conclusiones y recomendaciones es expuesto al final del documento En resumen, el objetivo de esta tesis es avanzar en la idea de modelar estructuras de pavimento a escala reducida en centrifuga. Para este propósito el trabajo se dividió en 4 etapas: 1) 2) 3) 4). Desarrollo de técnicas de preparación de los suelos intermedios Caracterización dinámica de los suelos en pequeñas deformaciones Desarrollo del mini –Fwd Implementación de técnicas de análisis basadas en propagación de ondas de superficie. Introducción-3.

(17) Murillo Carol. 2 SUELOS INTERMEDIOS 2.1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES. La mayoría de los problemás geotécnicos modelados en centrifuga se realizan en dos tipos de suelos: arcillas o arenas en estado seco o saturado. Sin embargo los depósitos de suelos en la naturaleza son mezclas de material granular y fino y generalmente se encuentra en estado parcialmente saturado. Por lo anterior el estudio de materiales intermedios que se asemejen más al comportamiento real de un suelo natural debe realizarse. Suelos conformados por mezclas de arena y caolín en estado no saturado pueden simular el comportamiento de suelos naturales de una manera más realista (Rossato et al., 1992; Kimura et al., 1994). Boussaid and Thorel, (2005), han venido estudiando el comportamiento de suelos intermedios conformados por arena de Fontainebleau y caolin Speswhite. En este trabajo se quiere estudiar suelos intermedios conformados por arena de Missillac y caolín Speswhite. La arena de Misillac es empleada como material de conformación de bases y subbases granulares en estructuras de pavimento flexible en Francia. La combinación de estos tipos de suelos puede ser por lo tanto una buena aproximación para describir el comportamiento mecánico de los materiales usados en capas de estructuras de pavimentos. Los suelos naturales generalmente se encuentran en estado no saturado por lo tanto entender el comportamiento de los suelos para diferentes grados de saturación es importante. La humedad del suelo es uno de los factores que afecta el comportamiento mecánico de los suelos no saturados. El contenido de agua inicial en un suelo compactado está relacionado directamente con el nivel de succión de este. La humedad en un suelo puede verse afectada al existir cambios ambiéntales y/o aplicaciones de carga. En suelos no saturados el agua es retenida por fenómenos de capilaridad, absorción y adsorción. La succión es una variable de estado que permite definir el estado tensional y la respuesta deformacional de un suelo no saturado. La resistencia al corte y el comportamiento mecánico de los suelos no saturados son dependientes de la succión matricial más que de la succión total (Alonso et al, 1987). El comportamiento tensión-deformación depende de la succión matricial mientras que el flujo de agua depende del gradiente de la succión total. El aumento en la succión genera un incremento en la rigidez del suelo.. Suelos Intermedios-1.

(18) Murillo Carol. 2.2. OBJETIVOS Y ALCANCES. 2.2.1. Objetivo General. El objetivo de este capÍtulo es desarrollar técnicas de preparación de suelos intermedios conformados por arena y caolín y determinar su comportamiento mecánico. La determinación de las curvas de retención de agua es otro de los objetivos de este capitulo.. 2.3. PRESENTACIÓN DE SUELOS. En este trabajo se estudiaron suelos compuestos por caolín Speswhite y arena de Missillac en estado no saturado. Diferentes porcentajes de material fueron empleados para determinar la influencia del material fino en el comportamiento de las mezclas. Tres tipos de suelo de acuerdo con la clasificación de suelo francesa (LCPC, 1990) fueron considerados, A3 (A-7-5) , B6 (A-2-6) y B31( A-1-a). En paréntesis estÁ la correspondencia con la clasificación de suelos de la AASHTO. A3: B6: B31:. 100% Caolín 35% Caolín +65% Arena 12% Caolín+88% Arena. Los suelos B6 y B31 son materiales que se emplean para la construcción de capas de subrasante mejoradas. El suelo A3 representa el material de la parte superior de la rasante. En lo que tiene que ver con el tamaño de las partículas, Ovesen, (1979) asegura que no se presentan problemás de escala si el diámetro más de grande de los granos es al menos 5 veces inferior que el diámetro de aplicación de la carga, con esta condición no se presentarían problemás de singularidad que afectarían las condiciones en el modelo. Por lo anterior el diámetro de los granos correspondiente a la arena de Missillac es inferior a 2 mm. El radio de aplicación de la carga para el dispositivo desarrollado es de 15 mm . Las dimensiones de tamaño de grano y de la placa cumplen las condiciones necesarias para evitar el problema de escala. 2.3.1. Caolín Speswhite (SPW). El caolín Speswhite es un material refinado ultra fino proveniente del sur oriente de Inglaterra. En la Tabla 2-1 se presentan las especificaciones y propiedades del caolín determinadas por el fabricante Imerys ®, 2002.. Suelos Intermedios-2.

(19) Murillo Carol. Tabla 2-1. Especificaciones caolín Speswhite. Especificación Brillo ( ISO R457) PH Superficie específica ( BET: m/g2) Absorción aceite (g/100g) Contenido de sal soluble en agua (mása %) Análisis Químico SiO2 (mása %) Al2O3. 85.5 ± 1.0 5.0 14 42 0.20 47 38. Las propiedades físicas del caolín speswhite se resumen en la Tabla 2-2. Tabla 2-2. Propiedades físicas caolín Speswhite. Límites de Atterberg Límite líquido WL (%) Límite plástico WP (%) Índice de plasticidad Ip(%) GS. 2.3.2. 55 30 25 2.62. Arena de Missillac (MS). La arena de Missillac de fue tamizada entre 2 y 0.02 mm. La Tabla 2-3 presenta las características de la arena de Missillac Tabla 2-3. Propiedades físicas arena de Missillac. GS Permeabilidad (m/s) Densidad ( kg/m3) ( suelta). 2.4. 2.653 1.7X10-5 1875. RECONSTITUCIÓN DE SUELOS. La preparación de los suelos se realizó en contenedores circulares de 30 cm de diámetro y 40 cm de altura. 2.4.1. Preparación de mezclas. La arena MS fue tamizada a 1mm, 0.5 mm , 0.2 mm y 80 µm y almacenada de acuerdo con el tamaño de los granos, esto para evitar problemás de segregación en el momento de preparar el material y obtener la curva granulométrica deseada. De acuerdo con la dosificación de la mezcla, cada fracción de material (arena y caolín) fue mezclado en una mezcladora de trompo con capacidad de 140 litros. Para asegurar la homogeneidad del material la arena y el caolín se mezcla por un período de 5 minutos. Suelos Intermedios-3.

(20) Murillo Carol. La adición de agua debe realizarse de manera lenta para evitar la formación de grumos, y la adición del material a las paredes de la mezcladora. La experiencia adquirida determinó que no es aconsejable mezclar más de 10 kg de material. A pesar de todas las precauciones la formación de grumos es inevitable.. a) Mezcla de material. b) Formación de grumos. Figura 2-1. Preparación de la mezcla. 2.4.2. Compactación. La compactación de las muestras fue estática y se realizó con la ayuda de un cilindro hidráulico. El tiempo de aplicación de la carga fue de 10 minutos, el tiempo se determinó experimentalmente aplicando el criterio de Asaoka (1978) para los tres tipos de suelo preparados a 5 humedades diferentes. Los ensayos realizados mostraron que para los suelos B6 y B31 preparados a la humedad óptima solamente algunos minutos eran necesarios para lograr la consolidación deseada. Ver ( Figura 2-2).. 0. 100. Tiempo (s) 200. 300. 400. 0 0.5. Def (mm). 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5. Figura 2-2. Consolidación método de Asaoka. Una calibración con 5 kg de material fue realizada para determinar la presión de compactación que permitiera la obtención de un suelo homogéneo y con la densidad especificada. Se varió la presión de compactación entre 500 y 3500 kPa y se constató la homogeneidad de las muestras por inspección visual. Suelos Intermedios-4.

(21) Murillo Carol. En las Figura 2-3 y Figura 2-4 se presentan algunas fotos donde se observa el efecto del nivel de compactación en la homogeneidad del material. Para el suelo A3 una presión de 2000 kPa fue necesaria para obtener un material homogéneo sin grumos mientras que para los suelos B31 y B6 una presión de 2500 kPa fue necesaria.. a) 500 kPa. b)2000 kPa. Figura 2-3. Variación de los niveles de compactación para el suelo A3. a)1500 kPa. b)2500 kPa. Figura 2-4. Variación de los niveles de compactación para el suelo B31. La presión de compactación debe satisfacer tres condiciones: la densidad, la homogeneidad y la humedad. Cuando se aplican presiones muy elevadas al suelo, se sobrepasa la curva de saturación lo que genera un remonte de agua en la muestra. Los parámetros de compactación que se emplearon para preparar los tres suelos están descritos en la Tabla 2-4. La compactación de los suelos fue realizada en capas de 10 cm Suelos Intermedios-5.

(22) Murillo Carol. Tabla 2-4. Parámetros de compactación Presión (kPa) 2000 2500 2500. Suelo A3 B6 B31. 2.4.3. Tiempo (min) 10 10 10. Estructuras reconstituidas. Siete estructuras fueron reconstituidas para ser ensayadas en la centrifuga. En la Tabla 2-5 se presentan las características de los modelos estudiados. Tabla 2-5. Estructuras reconstituidas. Suelo. w (%). Prototipo e (cm). Modelo e (cm). A3. A3m. 0.96 wopn. 600. 30. B6. B6m. 600. 30. B31. B31. 1 wopn. 600. 30. B31 A3. B31. 0.96 wopn. 50. 2.5. A3m. 1 wopn. 600. 30. B31. 0.9 wopn. 80. 4. A3m. 1 wopn. 600. 30. B6m. 0.9 wopn. 120. 5.5. A3m. 1 wopn. 600. 30. B31. 0.96 wopn. 30. 1.5. B6m. 0.9 wopn. 70. 3.5. A3m. 1 wopn. 600. 30. Estructura. Unicapa. Bicapa. Tipo de Mezclas. B31 A3 B6 A3. Tricapa. B31 B6 A3. B31 B6 A3. 0.9 wopn 1 wopn. 88 % Arena + 12% Kaolin 65 % Arena + 35% Kaolin 100% Kaolin. * La letra m indica que el suelo esta a la humedad óptima. Suelos Intermedios-6.

(23) Murillo Carol. 2.5. CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES. 2.5.1. Granulometría (NF P 94-056). El análisis granulométrico fue realizado siguiendo la norma francesa para las arenas. Para el caolín un ensayo de granulometría láser (CIIA-72) fue realizado. Las curvas granulométricas para lo suelos estudiados son presentadas en la Figura 2-5. 100 90 80 70. % Pasa. 60 50 40 30 20 10 0 100. 88% Arena+12%SPW 65% Arena+ 35% SPW SPW MS 10. 1. 0.1. 0.01. 0.001. 0.0001. D ia mé tro de pa rtícula s (mm). Figura 2-5. Curvas Granulométricas. 2.5.2. Azul de metileno (NFP 94-068). El valor de azul de metileno permite determinar la cantidad de arcilla en una muestra de suelo. La capacidad de absorción del azul está directamente relacionada con la superficie especifica del suelo (L.C.P.C, 1992). Los valores de azul (VBS) obtenidos para los tres tipos de suelo son presentados en la Tabla 2-6. Mayor la cantidad de arcilla mayor absorción de azul de metileno. Tabla 2-6. Valores de azul de metileno Suelo A3 B6 B31. 2.5.3. VBS (g/100) 1.54 1.21 1.11. Próctor estándar (NFP 94-093). Los ensayos próctor permiten establecer la relación entre la densidad seca y la humedad para un material compactado a una energía constante. Los ensayos de próctor se realizaron en un equipo automático, Controlab Ref SO 195.. Suelos Intermedios-7.

(24) 3 ρ d (gr/cm ). Murillo Carol. 2.00 1.95 1.90 1.85 1.80 1.75 1.70 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 1.35 1.30 1.25 1.20. Sr A3 B31 B6. 8. 10. 12 14. 16 18. 20 22. 24 26 28. 30 32. 34 36. 38 40. w (%) Figura 2-6. Curvas Próctor. Las características de los ensayos son presentados en la Figura 2-6 y en la Tabla 2-7. Tabla 2-7. Resultados ensayos Próctor wopt. ρd opt. (%). (g/cm3). A3. 29.3. 1.44. B31. 11.5. 1.96. B6. 14.4. 1.85. Suelo. Los resultados muestran que la mayor densidad seca óptima corresponde al suelo con mayor contenido de arena, suelo B31. Estos resultados son similares a los obtenidos por Boussaid et al, (2003) en suelos intermedio compuestos por arena de Fontainbleau y caolín SPW. 2.5.4. Índice de Portancia Inmediata (NFP 94-078). El ensayo de índice de portancia inmediata (IPI) permite determinar la capacidad de un suelo para soportar las cargas de tráfico cuando este se encuentra en construcción. El parámetro IPI expresa el índice CBR pero sin inmersión ni sobre carga en una probeta compactada a la energía del próctor normal. El valor Del IPI es el máximo de los dos valores determinados a partir de las siguientes relaciones:. Suelos Intermedios-8.

(25) Murillo Carol. Esfuerzo de penetració n para 2.5mm de profundida d 13.35. (2-1). Esfuerzo de penetración para 2.5mm de profundida d 19.93. (2-2). I .P.I ( 2.5mm ) =. I .P.I (5mm) =. Los valores de 13.35 y 19.93 corresponden a la fuerza necesaria para introducir un pistón de 2.5mm y 5 mm en un material de referencia. Los registros de fuerza fueron realizados con una celda de carga con capacidad de 10 kN marca FPG. La deformación fue registrada con un sensor resistivo P&G (Penny &Giles) de 50 mm de recorrido. En la. Tabla 2-1 se resumen los resultados del ensayo IPI obtenidos para el suelo B6 y B31. Tabla 2-8. Resultados del ensayo IPI para suelo B6 y B31 Ensayo IPI. Suelo. B31. B6. w (%). I.P.I. 2.5 mm (%). I.P.I. 5 mm (%). 8.71 9.75 10.83 11.49 12.51 14.30 10.40 12.28 12.77 14.37 14.95 15.94. 26.64 25.59 14.51 3.00 1.13 0.41 28.85 24.31 16.90 8.96 3.09 2.56. 26.86 26.67 18.07 4.77 1.58 0.57 27.53 24.12 18.64 9.57 3.5 3.03. La Figura 2-7 presenta las curvas obtenidas para los suelos B6 y B31.. Suelos Intermedios-9.

(26) IPI ( %). Murillo Carol. 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0. B31 B6. 8. 9. 10. 11. 12. 13. w (%). 14. 15. 16. 17. 18. Figura 2-7. Resultados IPI suelos B6 y B31. Los resultados muestran que el índice IPI para los suelos estudiados corresponde al valor registrado para el pistón de 5 mm. La recomendación francesa para materiales granulares a utilizar en capas de conformación recomiendan valores de IPI inferiores a 7. Lo anterior indica que los suelos seleccionados y fabricados a la humedad óptima del próctor si cumplen con los requerimientos impuestos. 2.6. CONTROL DE FABRICACIÓN DE MODELOS. El control de las propiedades físicas para los modelos reconstituidos fue realizado al final de los ensayos en centrifuga. Controles de densidad y de humedad fueron efectuados. En las siguientes figuras se muestran algunos ejemplos de los suelos reconstituidos.. Suelos Intermedios-10.

(27) Murillo Carol. Figura 2-8. Suelo B31. En la Figura 2-9 se muestra la estructura B31P-A3, muestras de material fueron extraídas para realizar controles de humedad.. Figura 2-9. Estructura B31P/A3. En la Figura 2-10 se presenta la estructura tricapa reconstituida, en la foto se observan los tres tipos de material empleados.. Figura 2-10. Estructura Tricapa. Para verificar la homogeneidad de los espesores, muestras de material fueron extraídas de las estructuras reconstituidas por varios tipos de material. En estructuras constituidas por un solo tipo de material el espesor fue medido directamente. Suelos Intermedios-11.

(28) Murillo Carol. Figura 2-11. Muestras de estructura bicapa y tricapa En la. Tabla 2-9 se resumen los valores de humedad y densidad obtenidos al final de los ensayos en centrifuga para cada una de las estructuras ensayadas. Suelos Intermedios-12.

(29) Murillo Carol. Tabla 2-9. Control de humedades y densidades obtenidas para cada estructura. γ ¬d. # capas de. e. wfinal. compactación. (cm) 9.8 9.5 9.8 8.5 9.5 9.5 9.3 9.5 10.0 4.0 9.9 9.8 9.8 2.7 10.1 9.9 9.6. (%) 26.7 26.2 26.3 13.0 14.5 13.1 11.2 12.5 11.9 9.7 27.9 27.8 27.1 10.2 27.9 27.6 27.9. (kN/m ). 11.0 27.6 27.1 27.3. 18.0. Capa 4. 5.5 9.8 9.2 10.0. B31. Capa 1. 1.5. 8.3. 18.4. B6. Capa 2. 3.2. 12.2. 17.9. Capa 3. 8.6. 27.6. Capa 4. 11.0. 27.4. Capa 5. 10.0. 28.0. Tipo de estructura. Capa 1. A3. Capa 2 Capa 3 Capa 1. B6. Capa 2 Capa 3 Capa 1. B31. Capa 2 Capa 3. B31. Capa 1 Capa 2. A3. Capa 3 Capa 4. B31. Capa 1 Capa 2. A3. Capa 3 Capa 4. B6. Capa 1 Capa 2. A3. A3. Capa 3. 3. 13.5. 18.4. 17.6 18.8 13.2 17.1 13.1. 13.4. 13.6. Los resultados muestran que la técnica empleada para la fabricación de las estructuras cumplió con las expectativas esperadas. En general los espesores, densidades y humedades finales fueron similares a los parámetros iniciales de preparación, los cuales corresponden los valores de humedad y densidad óptima del próctor estándar para cada suelo. Suelos Intermedios-13.

(30) Murillo Carol. Es importante anotar que las capas superiores para cada una de las estructuras estudiadas presentaron valores de humedad inferiores si se comparan con las capas más profundas. La evaporación del agua para estas capas se ven afectadas por el mismo vuelo en centrifuga Adicionalmente las estructuras de material era preparadas 1 o 2 días antes de cada vuelo, lo que puede afectar la humedad en la muestra.. 2.7 2.7.1. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS MATERIALES Ensayos triaxiales (NFP 94-074). El propósito de estudiar el comportamiento de estos suelos con ensayos triaxiales se limita a medir las características de resistencia al corte en estado no drenado. Por lo tanto no pretendemos hacer un estudio de las leyes constitutivas para este tipo de materiales, lo cual supera el alcance de esta tesis. Para determinar la resistencia a corto plazo de los suelos estudiados en centrifuga se realizaron ensayos triaxiales en esfuerzos totales. Probetas de material de 10 cm de alto y 5 cm de diámetro fueron fabricadas siguiendo el mismo procedimiento descrito anteriormente. Los ensayos se realizaron en una cámara triaxial Wfi Wykeham de 3500 kN/m2, con una prensa triaxial marca Tritech con capacidad de 100 kN y un deformímetro P&G de 50 mm de recorrido. Los suelos parcialmente saturados se sometieron a ensayos triaxiales no consolidados no drenados y se fallaron con velocidad de 1 mm/min. Los ensayos fueron realizados en las muestras de suelo A3, B6 y B31. Para representar niveles de esfuerzos similares al de los suelos a diferentes profundidades en centrifuga a 20 gravedades, se seleccionaron cuatro presiones de confinamiento, 20, 30 , 50 y 100 kPa. El esfuerzo correspondiente a la resistencia pico fue seleccionado para trazar los círculos de Mohr. Las curvas de deformación axial vs esfuerzo desviador así como los círculos de Mohr son presentados en la Figura 2-12.. Suelos Intermedios-14.

(31) Murillo Carol. 700. 600. 600 500. 400. τ (kPa). q (kPa). 500. 300 200. 0 0%. 5%. 10%. ε1. 15%. 300 200. σ3=20 σ3=30 σ3=50 σ3=100. 100. τ = 0.3193 σ + 173. 400. 100 0 0. 20%. 100 200 300 400 500 600 700 800. σ. %. (kPa). 600. 600. 500. 500. 400. 400. τ (kPa). q (kPa). Suelo A3. 300. 300 200. 200. σ3=20 σ3=30 σ3=50 σ3=100. 100 0 0%. τ = 0.3659 σ + 166. 5%. 10%. 15%. 20%. 100 0 0. 25%. 100. ε1 %. 200. 300. 400. 500. 600. 700. σ (kPa). 400. 400. 350. 350. 300. 300. 250. 250. τ (kPa). q (kPa). Suelo B6. 200 150 100 50 0 0%. 5%. 10%. ε1. 15%. σ3=10 σ3=30 σ3=50 σ3=100 Σ 2 20%. τ = 0.358 σ + 85.4. 200 150 100 50 0 0. %. 100. 200. σ. 300. 400. 500. (kPa). Suelo B31 Figura 2-12. Resultados de los ensayos triaxiales, Suelos A3, B6 y B31. Los resultados indican que el suelo B6 presenta el mayor valor de resistencia al corte no drenado comparado con los otros dos tipos de suelo. En la Tabla 2-10 se presentan los valores de cohesión aparente y del ángulo de fricción para los tres tipos de suelo. Suelos Intermedios-15.

(32) Murillo Carol. Tabla 2-10. Parámetros obtenidos de los ensayos triaxiales. Suelo A3 B6 B31. cuu (kPa) 173.0 166.0 85.40. φuu (°) 17.71 20.10 19.72. La cohesión aparente es mayor en los suelos que presentan mayor porcentaje de finos.. Suelo A3. Suelo B6. Suelo B31 Figura 2-13. Probetas suelos A3, B6 y B31 al final de los ensayos triaxiales UU. Suelos Intermedios-16.

(33) Murillo Carol. Las curvas que relaciona el esfuerzo desviador con la deformación para los suelos A3 y B6 muestran un máximo pronunciado y el esfuerzo disminuye a partir de ese punto. La curva para el material B31 no presenta un máximo definido y el esfuerzo desviador permanece prácticamente constante al continuar la deformación una vez se ha alcanzado la resistencia máxima. No se presenta localización de falla en el material lo cual puede explicar este fenómeno. La Figura 2-13 muestra las fotos de las probetas al final del ensayo para cada tipo e material. 2.7.2. Ensayos penetrométricos (NFP 94-113). Ensayos con el penetrómetro (Ver Figura 2-14 ) fueron realizados en centrifuga a 20 gravedades para todas las estructuras estudiadas en centrifuga con el fin de determinar la resistencia en punta y la homogeneidad de las capas.. Figura 2-14. Penetrómetro. El penetrómetro es un modelo a escala 1:3.Una celda de carga miniatura en la punta del penetrómetro permite determinar la resistencia del suelo. El sensor de fuerza puede cambiarse dependiendo de las características del suelo a evaluar. Las características técnicas del penetrómetro son presentadas en la Tabla 2-11. Tabla 2-11. Características del penetrómetro.. Funcionamiento máx. Mása (kg) Presión máxima (MPa) Diámetro del vástago (m) Recorrido (m) Angulo del cono (grados) Celda de carga (N). 100xg 4 18 0.012 0.3 60 200 à 5000. Suelos Intermedios-17.