Contribuciones para un mejor entendimiento de la modelación física y numérica de la interacción suelo-atmósfera en centrífuga geotécnica

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(1)TESIS Presentada por: Julián Alfonso TRISTANCHO ORTIZ Para obtener el título de. DOCTOR EN INGENIERÍA Tema de la tesis:. Contribuciones para un mejor entendimiento de la modelación física y numérica de la interacción suelo-atmósfera en centrífuga geotécnica (Contributions for a better understanding of physical and numerical modeling of soilatmospheric interaction in centrifuge). Sustentada de manera pública el día 22 de Mayo de 2012, con la comisión de examen compuesta por: PhD. Bernardo CAICEDO PhD. Luc THOREL PhD. Pierre DELAGE PhD. Nicolás ESTRADA PhD. Domenico GALLIPOLI PhD. Nelson OBREGON. Director de tesis Codirector de tesis Jurado Jurado Jurado Jurado. Universidad de los Andes, Facultad de ingeniería Carrera 1 N° 18A - 12 Bogotá, (Colombia) Tels: +571 3394949 +571 3394999 Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación, Colciencias Carrera 7B Bis # 132-28, Bogotá (Colombia). Tels: (+571) 6258480. 5953527.

(2) Toda mi familia me ha apoyado y motivado a seguir, en cada una de las metas que me he impuesto, pero estos años de trabajo son dedicados a mi madre, quien tal vez sea la única que no va a poder estar conmigo el día que vea término este trabajo. Madre te extraño todos los días de mi vida. Julián Alfonso.

(3) Tabla de Contenido Agradecimientos ......................................................................................... ix Resumen ...................................................................................................... xi Introducción General ................................................................................. xii Capítulo 1 Preparación de suelos ............................................................. 17 1 Introducción .................................................................................................................................... 17 2 Estructura interna de los suelos no saturados ................................................................................ 18 2.1. Composición de los suelos no saturados ........................................................................... 19. 2.1.1. Fase solida................................................................................................................. 19. 2.1.2. Fase liquida................................................................................................................ 20. 2.1.3. Fase Gaseosa............................................................................................................ 20. 2.2. Succión en suelos no saturados ........................................................................................ 20. 2.3. Comportamiento de expansión y colapso .......................................................................... 22. 2.3.1. Colapso ...................................................................................................................... 22. 2.3.2. Expansión .................................................................................................................. 23. 3 Diseño consolidometro edométrico no saturado ............................................................................. 23 3.1. Diseño mecánico ............................................................................................................... 24. 3.2. Diseño electrónico y control ............................................................................................... 25. 3.3. Psicrómetros tipo peltier .................................................................................................... 27. 3.3.1 3.4. Equipo de adquisición de datos psicrómetros tipo peltier .......................................... 32. Sensor de humedad........................................................................................................... 33. 3.4.1. Diseño ........................................................................................................................ 33. i.

(4) Tabla de Contenido 4 Preparación del suelo para ensayos ............................................................................................... 36 4.1. Preparación de suelos para ensayos ................................................................................. 37. 4.2. Curvas de consolidación .................................................................................................... 37. 4.3. Generación de colapso y expansión .................................................................................. 38. 5 Articulo de investigación ................................................................................................................. 39. Capítulo 2 Simulación física y numérica lluvia ....................................... 77 1 Introducción .................................................................................................................................... 77 2 Simulación de lluvia en centrífuga geotécnica. ............................................................................... 78 2.1. Cinemática de un cuerpo en un marco de referencia rotacional. ....................................... 79. 3 Caracterización microaspersores de nebulización. ......................................................................... 82 3.1. Microaspersores Green Mist .............................................................................................. 83. 3.2. Ensayos de laboratorio. ..................................................................................................... 83. 3.2.1. Ensayos de uniformidad de mojado y tamaño de partículas. ..................................... 84. 3.2.2. Ensayos de uniformidad de mojado en centrífuga. .................................................... 86. 3.2.3. Ensayos de velocidad de salida. ................................................................................ 87. 4 Articulo de investigación ................................................................................................................. 91. Capítulo 3 Cámara de simulación climática .......................................... 127 1 Introducción .................................................................................................................................. 127 2 Modelamiento en centrífuga.......................................................................................................... 129 2.1. Leyes de escala básicas .................................................................................................. 130. 2.2. Efectos de escala............................................................................................................. 131. 2.3. La centrífuga geotécnica Uniandes y LCPC .................................................................... 132. 3 Diseño y funcionamiento ............................................................................................................... 134 3.1. Robot de monitoreo XY .................................................................................................... 136. 3.2. Diseño contenedor adiabático.......................................................................................... 138. 3.3. Software de control y adquisición de datos ...................................................................... 138. 4 Ensayos de pruebas de calentamiento por convección. ............................................................... 141 4.1. Preparación del modelo ................................................................................................... 141. 4.2. Instrumentación del modelo ............................................................................................. 142. 4.3. Ensayos y resultados ....................................................................................................... 144. 5 Articulo de investigación ............................................................................................................... 151 ii.

(5) Capítulo 4 Simulación numérica interacción suelo atmósfera ........... 187 1 Introducción .................................................................................................................................. 187 2 Capa limite atmosférica ................................................................................................................ 188 2.1. Capa viscosa y la superficie del suelo ............................................................................. 189. 2.2. Evaporación en suelos no saturados ............................................................................... 190. 2.2.1 2.3. Efecto del frente seco .............................................................................................. 191. Condición de frontera en la superficie para flujo de aire y agua ...................................... 191. 3 Implementación del modelo numérico .......................................................................................... 192 3.1. Nodos de cálculo ............................................................................................................. 192. 3.2. Criterio de estabilidad ...................................................................................................... 193. 3.3. Implementación del código .............................................................................................. 193. 3.4. Validación del código ....................................................................................................... 194. 4 Articulo de investigación ............................................................................................................... 197. Conclusiones generales .......................................................................... 257 Perspectivas ............................................................................................. 261 Anexo 1. Calibración de instrumentos......................................................................................... 263. Psicrómetros tipo Peltier .................................................................................................................. 263 Variación de variables y efectos resultantes................................................................................ 266 Calibración sensor capacitivo de humedad...................................................................................... 269 Anexo 2. Deducción ecuaciones modelo numérico..................................................................... 271. Referencias globales. .............................................................................. 280.

(6) Lista de Figuras Figura 1 Estructura típica suelo no saturado (WILSON, 1990). ......................................................... 19 Figura 2 Diseño edómetro a) Partes principales, b) Sección y c) Análisis de elementos finitos deformación en metros.............................................................................................................. 25 Figura 3 Equipo edométrico construido ............................................................................................. 26 Figura 4 Software de adquisición y control para ensayo edométrico. ................................................ 27 Figura 5 Estructura interna psicrómetro tipo cerámico y vista exterior de psicrómetro de malla metálica (izq.) y cerámica (der.) (ANDRASKI & SCANLON, 2002) ........................................... 29 Figura 6 Principio de operación para lectura de Psicrómetros (FREDLUND, 1993) ......................... 30 Figura 7 Efecto de la variación de la temperatura en la humedad relativa en función de la succión. 31 Figura 8 Efecto del cambio de temperatura en las mediciones de succión con psicrómetros (ANDRASKI & SCANLON, 2002). ............................................................................................. 31 Figura 9 Principio eléctrico de funcionamiento sensor de humedad. De arriba abajo: Carga del condensador, Inyección en el suelo y Reinicio del sistema ....................................................... 34 Figura 10 Dimensiones y partes principales sensor de humedad ...................................................... 35 Figura 11 Curvas de caracterización caolín Speswhite, arriba granulometría y abajo ensayo Proctor estándar y modificado ............................................................................................................... 37 Figura 12 Trayectoria de un cuerpo en un marco rotacional y un marco fijo...................................... 79 Figura 13 Trayectoria observada desde el marco rotacional. ............................................................ 80 Figura 14 Ubicación de una partícula con velocidad inicial 24m/s, lanzada desde un marco rotacional................................................................................................................................... 81 Figura 15 Atomización de fluidos, en un microaspersor (REITZ, 1996). ............................................ 83 Figura 16 Microaspersor Green Mist (NAANDAN, 2010). .................................................................. 83. iv.

(7) Lista de Figuras Figura 17 Montaje para ensayo de uniformidad de mojado y tamaño de partículas (LOTERO, 2011). .................................................................................................................................................. 84 Figura 18 Lectura de volumen acumulado matriz de tubos................................................................ 85 Figura 19 Resultados de procesamiento de impactos en papel hidrosensible. Presion 5 Bar, altura 25 cm (LOTERO, 2011). ................................................................................................................ 86 Figura 20 Montaje para ensayo de uniformidad de mojado en centrífuga. ........................................ 87 Figura 21 Principio de funcionamiento PIV (http://www.lavision.de, 2012). ....................................... 88 Figura 22 Configuración equipo de ensayo por PIV, para determinación de velocidad (LOTERO, 2011). ........................................................................................................................................ 89 Figura 23 Resultados de análisis de velocidad de partículas por ensayo de PIV a diferentes presiones. a) 3 Bar, b) 4 Bar, c) 5 Bar y d) 6 Bar (LOTERO, 2011). ......................................... 90 Figura 24 Distribución de esfuerzos verticales en el modelo y prototipo (Taylor, 1995) .................. 130 Figura 25 Centrífugas usadas en la investigación. a) Centrífuga Uniandes – Bogotá, Colombia. b) Centrífuga LCPC – Nantes, Francia (www.lcpc.fr). ................................................................. 132 Figura 26 Esquema de funcionamiento cámara de simulación climática ......................................... 135 Figura 27 Montaje de placas Peltier en primas de calentamiento y deshumidificación .................... 136 Figura 28 Mapas generados por el robot de posicionamiento XY. a) Elevación topográfica del modelo, b) Humedad relativa del aire, c) Temperatura del aire, d) Temperatura de la superficie y e) Levantamiento topográfico 3D.......................................................................................... 137 Figura 29 Diseño definitivo y modelo en elementos finitos (deformación y flujo de calor) de la canasta.................................................................................................................................... 138 Figura 30 Programa de LabVIEW diseñada para el control de la CSC. ........................................... 139 Figura 31 Interface del usuario para el software de control de la CSC. a) Visualización de datos y configuración de hardware, b) control manual de actuadores independientes, c) control automático de actuadores independientes en lazo cerrado. ................................................... 140 Figura 32 Programa de visualización de datos en línea conectado por interfaz ActiveX con el software controlador principal. ................................................................................................ 141 Figura 33 Consolidación del modelo y vista superficial. ................................................................... 142 Figura 34 Consolidación del modelo y vista superficial. ................................................................... 142 Figura 35 Montaje interior de instrumentación sobre el modelo....................................................... 144 Figura 36 Vista exterior del modelo en la centrífuga geotécnica...................................................... 145 v.

(8) Figura 37 Comportamiento de temperaturas (escala del modelo) ................................................... 146 Figura 38 Comportamiento de humedad relativa aire (escala del modelo) ...................................... 146 Figura 39 Comportamiento de succiones del subsuelo (escala del modelo) ................................... 147 Figura 40 Asentamiento del modelo (escala del modelo) ................................................................ 148 Figura 41 Diagrama psicométrico del comportamiento del aire durante la prueba (escala del modelo) ................................................................................................................................................ 149 Figura 42 Distribución de la atmósfera (Adaptado SHAO, 2008) ..................................................... 188 Figura 43 Curvas de evaporación en suelos. a) Respuesta de suelos ante diferentes tasas de evaporación, de 1 a 4 decreciendo la tasa de evaporación de la atmósfera. b) Etapas del proceso evaporación en el suelo. (HILLEL, 2004) .................................................................. 191 Figura 44 Discretización del modelo en nodos de cálculo ............................................................... 192 Figura 45 Ventana de procesamiento THM3D ................................................................................. 193 Figura 46 Modelo de verificación para conducción de calor sensible. ............................................. 195 Figura 47 Montaje de calibración Psicrómetros. .............................................................................. 265 Figura 48 Curva de calibración (respuesta en el tiempo) psicrómetro peltier. ................................. 265 Figura 49 Curva típica de calibración psicrómetros tipo Peltier ....................................................... 266 Figura 50 Montaje de calibración del sensor de humedad ............................................................... 269 Figura 51 Curva de calibración sensor humedad. Suelo caolín Speswhite ...................................... 270. vi.

(9) Lista de Tablas Tabla 1 Métodos y equipos de medición de la succión (FREDLUND, 1993) ..................................... 28 Tabla 2 Características principales Datalogger CR7 (CAMPBELL SCIENTIFIC, 1997) .................... 33 Tabla 3 Propiedades básicas y límites de Atterberg para caolín Speswhite (Imerys) ........................ 36 Tabla 4 Programa típico de ensayo. .................................................................................................. 38 Tabla 5 Características principales La Vision 11012220 (http://www.lavision.de , 2012) ................... 87 Tabla 6 Factores de escala para modelos de centrífuga (AZIZI, 2000). .......................................... 131 Tabla 7 Principales características centrífuga Uniandes ................................................................. 133 Tabla 8 Principales características centrífuga LCPC (MURILLO, 2006) .......................................... 134 Tabla 9 Instrumentación de sensores para ensayos de CSC en centrífuga .................................... 143 Tabla 10 Soluciones salinas NaCl-Agua y succión osmótica asociada en Mpa (ANDRASKI & SCANLON, 2002) .................................................................................................................... 264 Tabla 11 Respuesta de los psicrómetros con diferentes parámetros de medición .......................... 267 Tabla 12 Tabla de parámetros no lineales ....................................................................................... 277. vii.

(10) viii.

(11) Agradecimientos El profesor PhD. Bernardo Caicedo director de este proyecto fue el principal motor para lograr el desarrollo de esta investigación, su gran capacidad técnica, científica y calidad humana inundaron con motivación y conocimiento cada una de las diferentes tareas que fueron necesarias para llegar a feliz término esta investigación. La Universidad de Los Andes brindo todas las herramientas académicas, físicas y administrativas para permitir el correcto desarrollo de este proyecto y divulgación en congresos internacionales de los resultados aquí encontrados. El Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) de Nantes, Francia, sección de mecánica de suelos y centrífuga en cabeza del PhD. Luc THOREL me brindo la posibilidad de trabajar por cerca de un año en sus instalaciones ofreciendo todas sus herramientas a mi disposición. Agradezco a cada uno de los técnicos del laboratorio y al propio jefe de área por su apoyo desinteresado en las diferentes pruebas de laboratorio que se desarrollaron. Es necesario agradecer de manera muy especial al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación (COLCIENCIAS) y su programa de apoyo a doctorados nacionales, que han permitido obtener la financiación principal para el desarrollo de este proyecto de investigación. Todo este proyecto fue posible gracias a la participación de muchas personas, incluyendo gran parte del laboratorio de Ingeniería Civil de la Universidad de Los Andes, les agradezco el interés y apoyo, sobre todo a Julieth Monroy quien sin su amplia experiencia en instrumentación y amistad no hubiera sido posible terminar este proyecto. ix.

(12) x.

(13) Resumen Los fenómenos de transferencia de calor y masa, que se presentan entre la atmósfera, suelo y las estructuras civiles, afectan a estas últimas en gran medida, debido a los cambios volumétricos de los sólidos compresibles. Estos cambios volumétricos provocan consecuencias negativas sobre las estructuras pequeñas: fisuración, perdida de cimentación y en algunos casos colapso. La física que rige el comportamiento del intercambio de fluidos y energía, entre la atmósfera y el suelo es compleja. Este tipo de problemas son en realidad un sistema acoplado de: comportamiento atmosférico, propiedades del suelo y características dinámicas de superficie. El estudio de este tipo de problemas, conlleva un análisis multidisciplinario que cubre aéreas tan diversas como: micrometeorología, dinámica de fluidos, física del suelo, hidrología de superficie del suelo y ecología entre otros. La centrífuga geotécnica es una poderosa herramienta usada para realizar modelos a escala reducida de fenómenos tan diversos como: sísmica, licuefacción, transporte de contaminantes, estabilidad y resistencia de obras civiles, entre otros. El uso de este equipo en el análisis de los efectos de la capa limite atmosférica ha sido usado de manera tangencial sin profundizar en el método como debe ser escalado el proceso físico dentro de la centrífuga, para poder aplicar los resultados al comportamiento del prototipo. En este proyecto se trata de aislar cada una de las variables que afectan el comportamiento del suelo por las condiciones de capa limite atmosférica, orientada a su modelamiento en centrífuga geotécnica.. xi.

(14) Introducción General La atmósfera realiza diferentes tareas de intercambio de gases, calor y fluidos líquidos con el suelo. Estos intercambios son responsables de propiedades tan importantes como temperatura, humedad, tasa de evaporación y succión de la superficie del suelo. En la superficie es donde todos esto fenómenos se acoplan de diferentes maneras, por ejemplo: los cambios de temperatura gobiernan los movimientos del agua en suelos no saturados a través de los procesos de evaporación y condensación, pero la temperatura del suelo también afecta la presión de la fase gaseosa en el suelo, cambiando su tasa de intercambio con el exterior. El comportamiento mecánico de los suelos no saturados está estrechamente relacionado con las condiciones de humedad y succión. Es así por ejemplo que el comportamiento de los taludes está completamente influenciado por las condiciones anuales de lluvias y sequia, y el método de predecir la estabilidad de estas estructuras debido a la variación de las condiciones limite no se encuentra completamente estudiado (LEROUEIL, 2001). En este tema especifico de estabilidad de taludes, existen estudios en modelación a escala reducida en los cuales se varían las condiciones limite en la atmósfera, como los realizados por TAKE y BOLTON (2004) o HUDACSEK et al. (2009) donde se muestran como resultados fallas ocasionados por la variación periódica de las condiciones atmosféricas. Estos ensayos están orientados a reproducir y observar el mecanismo de falla. Sin embargo en estos estudios no se tiene en cuenta las leyes de escala originadas en la atmósfera, que indujeron a la estructura a llegar al límite de estabilidad. La física que rige el comportamiento del intercambio de fluidos (aire y agua, principalmente) y energía, entre la atmósfera y el suelo es compleja. Este tipo de problemas son en realidad un sistema acoplado de: comportamiento atmosférico, propiedades del suelo y características. xii.

(15) dinámicas de superficie. El estudio de este tipo de problemas, conlleva a un análisis multidisciplinario que cubre aéreas tan diversos como: micrometeorología, dinámica de fluidos, física del suelo, hidrología de superficie del suelo y ecología entre otros. El estudio de los fenómenos que ocurren en la capa límite atmosférica ha sido estudiado de manera profunda por investigadores en el área de evapotranspiración (BRUTSAERT, 1991), micrometeorología (FOKEN, 2008) y modelamiento atmosférico (KAIMAL,1994). Mientras los fenómenos asociados con el comportamiento del suelo debido a la frontera atmosférica han sido estudiados por profesionales en las aéreas de geotecnia (WILSON, 1990) y transporte de contaminantes (TINDALL y KUNKEL, 1999). La mayoría de estas investigaciones han sido orientadas a la generación de modelos numéricos capaces de predecir el comportamiento hidrotérmico (fundamental para las investigaciones de capa limite atmosférica) o hidromecánico del suelo (resultado primordial de los ingenieros geotecnistas). La integración de estas dos perspectivas del problema lleva al planteamiento de un problema termo-hidro-mecánico (THM), cuya validación de los resultados numéricos es demasiada compleja y con requerimientos de tiempo de modelación física muy larga o costosa por las exigencias de instrumentación. La centrífuga geotécnica es una poderosa herramienta usada para realizar modelos a escala reducida de fenómenos tan diversos como: sísmica, licuefacción, transporte de contaminantes, estabilidad y resistencia de obras civiles, entre otros. Entre las ventajas del modelamiento a escala reducida esta los bajos costos comparativos frente a los modelos a escala natural, el escalamiento del tiempo que permite realizar simulaciones de meses o años en unas pocas horas (dependiendo de la escala del modelo), validación o calibración de modelos numéricos y realización de problemas complejos en condiciones completamente controlados. Los fenómenos acoplados THM tienen particular relevancia en el comportamiento de los suelos de regiones con condiciones de lluvia permanente como lo es gran parte de Colombia. Estos suelos están constituidos por arcillas y son especialmente sensibles a los cambios de humedad. Es así como los suelos de la Sabana de Bogotá (Colombia) tiene una formación sedimentaria del Cretáceo, con formaciones de sedimentos lacustres y fluvioglaciares. Estos suelos son originados principalmente por la meteorización de rocas arcillosas, lo que provocan suelos con muy bajo nivel de capacidad mecánica. Bogotá está ubicada en la zona tórrida, muy cercana a línea del ecuador, a una altura aprox. de 2600 msnm, teniendo un clima templado de altura. Debido a su ubicación su. xiii.

(16) variabilidad en temperatura es baja, pero por su ubicación en montaña permiten que el vapor de agua se acumule y condense fácilmente, creando un clima con muchas lluvias y alta humedad relativa. La presencia de estas condiciones climáticas conlleva a una variación muy frecuente de los niveles freáticos y de las condiciones de evaporación del agua del suelo, presentándose fenómenos de desecación, causa principal de agrietamiento en estructuras livianas, como vías, casas pequeñas, además de ser el sistema de disparo para problemas más complejos como fallas de taludes. En el contexto de Colombia un factor de riesgo predominante es el de las fallas en taludes debido a que Colombia es fundamentalmente un país montañoso. Es así como durante el año 2011 se presentaron 122 muertes y perdidas del orden de $5.000 Millones de dólares, equivalente al 0.1% del PIB del país, que acumulado entre los años 1970 a 2000 equivalente al 2.5 % del PIB (Dirección nacional de atención de desastres, www.sigpad.gov.co, 2011). Este fenómeno que se presenta en Colombia, no es exclusivo. Se estima que alrededor de 320 millones de hectáreas en el mundo son del tipo de suelo expansivo (ARNOLD et al, 2005). Por ejemplo en Estados Unidos cerca del 20% del suelo es de este tipo y las pérdidas anuales (asociadas a perdidas en obras de ingeniería y en suelos de cultivo) son del orden de 6.000 a 11.000 millones de dólares (ARNOLD et al, 2005). De otra parte el cambio climático global ha desplazado las temporadas de lluvia y sequia haciéndolos cada vez más largas e impredecibles. Un estudio que pueda determinar qué condiciones climáticas consiguen disparar la inestabilidad o falla sobre estructuras geotécnicas es fundamental para determinar sitios de alto riesgo y poder tomar acciones de mitigación del riesgo. El diseño de nuevos métodos o el uso adecuado de sistemas, cálculo y estimaciones actuales, pueden ser mejorados si se tiene un modelo adecuadamente calibrado que pueda ser usado ante condiciones meteorológicas variables. Este proyecto intenta hacer un análisis de las variables que influyen sobre el suelo por el acoplamiento con la atmósfera (radiación solar, velocidad, precipitación, humedad y temperatura del aire), el modelamiento en centrífuga y la preparación de suelo necesaria. Se diseña un nuevo actuador atmosférico y es implementando de manera numérica un modelo THM de comportamiento del suelo. El modelo numérico permite desglosar las diferentes influencias que cada variable climática tiene sobre el comportamiento del suelo y las leyes de escala a ser usadas sobre las variables climáticas. Además los resultados obtenidos por el modelo numérico permite establecer los. xiv.

(17) métodos de control necesarios sobre el actuador atmosférico para escalar adecuadamente la frontera atmosférica dentro de los modelos usados en la máquina centrífuga. Este trabajo de investigación está distribuido en cuatro capítulos. El primer capítulo hace una revisión sobre los métodos de preparación de suelos para ser usados en modelos a escala reducida y muestra un equipo diseñado para construir suelos con historia determinada, analizando como se integran sus variables de estado. En el capítulo dos se desarrolla una técnica de modelamiento físico y simulación numérica del proceso de lluvia dentro de los modelos de centrífuga geotecnia. El capítulo tres presenta el diseño, construcción y ensayos del actuador atmosférico. En la parte final se presenta el modelo numérico THM que se desarrolló para realizar las tareas de aislamiento de variables climáticas y método de control del actuador atmosférico. Cada uno de los capítulos de este trabajo está compuesto por una breve introducción de los parámetros, modelos y métodos usados para el desarrollo individual de cada tema escrito en español, seguido por un artículo de investigación con el desarrollo completo del tema tratado escrito en inglés, donde se encuentra listado el bibliografía usada como referencia y las conclusiones individuales. En la parte final de este trabajo se presentan las conclusiones generales, perspectivas futuras de la investigación, lista global de referencias y anexos con desarrollos especiales usados dentro del contenido de la investigación.. xv.

(18) xvi.

(19) Capítulo 1 Preparación de suelos. 1 Introducción La mayoría de suelos donde se planean estructuras geotécnicas corresponden suelos los cuales no están conformados solo por material granular y agua. Estos suelos son los llamados suelos no saturados donde se tienen tres fases presentes: aire, agua y material particulado. El proceso de creación de este tipo de suelos tiene origen natural o artificial. Los de origen natural están basados en largos procesos de humidificación y desecación. Los de origen no natural son resultados de procesos de excavación, remoldeo y compactación lo que impiden que generalmente lleguen a estar saturados. El comportamiento mecánico de los suelos no saturados difiere en gran medida del comportamiento de los suelos saturados. Diferentes estudios y modelos se han implementado para predecir dicho comportamiento mecánico ante principalmente características de humedad y distribución de la estructura granular. Es así como aparecen conceptos como: esfuerzo neto y succión, relaciones que indican las consideraciones de esfuerzo sin la presión de poros y la diferencia entre la presión del aire en los poros y la presión de agua en los poros, respectivamente. Una característica típica de los suelos no saturados es la variación volumétrica de expansión y contracción (o colapso) ante los cambios de humedad, fenómenos que se presentan por el cambio en la humedad no en los esfuerzos impuestos.. 17.

(20) Capítulo I. Preparación de suelos La modificación del contenido de agua que un suelo no saturado, equivale a un cambio en su comportamiento deformacional debido al cambio de su estado en succión. Por lo tanto el estado del suelo en succión define su estado mecánico y respuesta en deformación. En este capítulo se hace un breve recuento sobre la definición de suelo no saturado, caracterización, preparación de suelo para ensayos de centrífuga y diseño del equipo edométrico no saturado. En la parte del artículo de investigación se muestra el uso del edómetro para la caracterización y modelamiento por elipses del kaolin specwite de la relación de esfuerzo vertical horizontal.. 2 Estructura interna de los suelos no saturados Debido a que no existe saturación de agua en la estructura del material granular (presión de agua de poros negativa), se presenta una tercera fase en el suelo: el aire. La interacción que cada una de las fases definen el comportamiento del suelo y por ello vale la pena establecer las características principales Autores como FREDLUND y MORGENSTERN (1993) reconocen además una cuarta fase que correspondería a la “membrana contráctil” formada entre la fase liquida y el aire. Esta membrana contráctil trata de forma acoplada el comportamiento entre el agua y el aire, distinguiéndose dos estados fundamentales: si el aire disuelto en el agua es cercano al 2% en volumen y un segundo caso si el vapor de agua está presente en el aire. Esta fase contráctil junto a la fase solida se equilibran ante la solicitación de esfuerzo, mientras las fases de agua y aire libre, fluyen ante los cambios de solicitación mecánica. El comportamiento de esta cuarta fase esta relacionada con el estado de la fase liquida y puede considerase incluida dentro de esta, sin presentar volumen o masa asociada independiente, es por ello que generalmente no es tenida en cuenta en los estudios constitutivos globales.. 18.

(21) Estructura interna de los suelos no saturados. 2.1. Composición de los suelos no saturados. La composición de equilibrio que las tres fases del suelo no saturado, define el comportamiento mecánico del mismo. Cada fase se encuentra acoplada entre si, por lo tanto cualquier cambio de una de las fases ocasiona un cambio sobre las otras dos (Figura 1).. Figura 1 Estructura típica suelo no saturado (WILSON, 1990).. Una clasificación común de los suelos no saturados ha sido realizada por WROTH y HOULSBY (1985), en la cual es valorado las condiciones de continuidad de las diferentes fases y encontrandose una relación con su comportamiento mecánico: Primera clase: fase de agua continua y fase de aire discontinua, estructura común en suelos con alto nivel de saturación, generalmente ocurrido en zonas de transición de suelo saturado a no saturado. En la segunda clase: la fase de agua y aire son continuas: Suelos con grado intermedio de saturación como rellenos compactados de grano fino. Y la tercera clase: presenta una fase continua de aire y discontinua de agua: Suelos con grado bajo de saturación, ubicados generalmente en la superficie o de composición de grano grueso. Esta clasificación está basada en las principales características individuales de cada fase de suelo.. 2.1.1 Fase solida Corresponde al material granular de origen mineral que constituye el esqueleto del suelo, entre sus características principales están las condiciones de: forma, textura, composición y mineralogía entre 19.

(22) Capítulo I. Preparación de suelos otras. La distribución espacial de las partículas solidas determina el estado tensional provocado entre las diferentes fases y el método como los esfuerzos son conducidos a través del suelo. En suelos finos como las arcillas se generan estructuras independientes que modifican el comportamiento. En estos materiales se distinguen: partículas independientes de arcilla, cristales de arcilla organizada paralelamente, agregados de arcilla y conglomerados de arcillas. Los sistemas organizados de las arcillas se modifican de acuerdo al estado de esfuerzo dentro del suelo.. 2.1.2 Fase liquida Agua y sales disueltas son los principales componentes de esta fase. La distribución de esta fase dentro del suelo puede ser: mediante una película muy delgada unida al suelo por fuerzas moleculares siendo muy difícil de eliminar, la segunda es retinada por fuerzas capilares dentro del suelo y la última es el agua libre que bajo la influencia de la gravedad se mueve en el suelo.. 2.1.3 Fase Gaseosa Está compuesta por gases disueltos en la atmósfera (Oxigeno, nitrógeno, argón, dióxido de carbono, etc.) y vapor de agua. La composición de esta fase varía permanentemente de acuerdo a las propiedades atmosféricas, afectando sobre todo la composición porcentual del vapor de agua.. 2.2. Succión en suelos no saturados. La estructura suelo-agua, presenta fuerzas de atracción (fuerzas moleculares y físico-químicas) que hacen que el agua trate de llenar los espacios vacios del suelo y permanecer allí sin importar la influencia de fuerzas como la gravedad. Sin esta fuerza de atracción suelo-agua, el suelo estaría siempre seco en la superficie luego de un tiempo, pues por gravedad el agua se decantaría en el fondo (esto asumiendo que no existe otro método de migración del agua fuera del suelo como por ejemplo la atmósfera). Esta propiedad que tiene el suelo de fijar el agua en los espacios vacios es llamada succión (FREDLUND, 1993). Es por eso que se puede decir que la succión esta comúnmente referida como el estado de energía libre del agua en el suelo y puede medirse de acuerdo a la cantidad de vapor de agua disuelta en la fase de aire del suelo. El estado de tensiones del suelo viene determinada con la capacidad de retención del agua relacionada con la succión y por ello su importancia. El estado de esfuerzos de un suelo no saturado no puede ser determinado sin el conocimiento de su estado en succión. Los 20.

(23) Estructura interna de los suelos no saturados cambios en la succión están relacionados con cambios en los niveles de saturación del suelo, debido a los fenómenos de capilaridad y tensión superficial La succión se define como la diferencia entre la presión del aire atmosférico y la presión del agua presente entre los poros del suelo. La succión genera una resistencia adicional al movimiento entre las partículas del suelo, pero también generan que el suelo pueda captar y almacenar una mayor cantidad de humedad, haciéndolo propenso a colapsos y cambios volumétricos (FREDLUND, 1993). La relación teórica entre el potencial de agua de la fase liquida y la humedad relativa de la fase de vapor en el suelo no saturado, esta dado por la ecuación de Kelvin (ANDRASKI & SCANLON, 2002). RT 0. Según la Ecuación [ 1 ],. ln. u u. [1] 0. corresponde a la succión total en MPa (succión matricial mas succión. osmótica), R es la constante universal de los gases ideales (8.314x10-6 MJ(mol K)), T es la temperatura de la mezcla aire vapor de agua en Kelvin, el termino. 0. corresponde al producto. del volumen especifico del agua y la masa molecular del vapor de agua (volumen molar del agua). La relación de la presión de vapor del aire en equilibrio con la fase liquida ( u ) y presión de saturación de vapor ( u 0 ) a la misma temperatura, es conocida como la humedad relativa del aire (HR). Se debe tener en cuenta que la succión total está compuesta por la suma de dos componentes individuales: la succión matricial y la osmótica (FREDLUND, 1993). Succión matricial: Corresponde al componente capilar de la succión, lo que genera la aparición de presiones negativas en la fase agua. Es equivalente a la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con el agua del suelo, relativa a la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con la solución idéntica en composición con el agua del suelo. Succión osmótica: Corresponde a la generada por la presencia de sales disueltas en el agua, generando cambios en la humedad relativa (disminución) de la fase del aire. Succión derivada de la medición de la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con una solución idéntica en composición con el agua del suelo, relativa a la presión parcial de vapor de agua en equilibrio con agua pura. La succión total puede ser definida entonces en términos de sus componentes como: 21.

(24) Capítulo I. Preparación de suelos (u a. uw ). [2]. Donde:. (u a. 2.3. uw ). =. Succión matricial. ua. =. Presión de aire de los poros. uw. =. Presión del agua de los poros l. =. Succión osmótica. Comportamiento de expansión y colapso. La variación de saturación en los suelos puede generar cambios volumétricos. Al mantener el estado de esfuerzos externos iguales, si el cambio es de incremento de volumen, se dice que es un fenómeno de expansión y si es de contracción se habla de colapso.. 2.3.1 Colapso El proceso de colapso se presenta al aumentar el grado de saturación manteniendo constante las condiciones de esfuerzos externos. Es un fenómeno completamente inverso al proceso de consolidación en donde debido al incremento del esfuerzo exterior se presenta un flujo de aire y agua, mientras que el colapso se presenta cuando el suelo puede absorber agua manteniendo el esfuerzo externo constante. Según DUDBLEY 1970 y ARAKI 1995, entre algunas de las características necesarias para la ocurrencia de colapso se tiene: Estructura abierta, no saturada, capaz de reducir su volumen debido a la disminución del volumen de poros. Carga exterior suficientemente grande para estar en condición de estabilidad marginal con la succión aplicada, esto origina que ante cualquier cambio el suelo reaccione violentamente. Estructura química del suelo sensible (debilitamiento) a los cambios de humedad. El proceso de colapso es irreversible pues conlleva a cambios internos de la estructura del suelo. Una vez el suelo ha conseguido una nueva estructura que soporta las condiciones de carga ante las nuevas condiciones de saturación, si se cambian la condiciones externas o de contenido de agua nuevamente, el proceso puede repetirse ALONSO (1993).. 22.

(25) Diseño consolidometro edométrico no saturado. 2.3.2 Expansión El fenómeno de expansión inicia cuando un suelo no saturado empieza a absorber agua llenando sus poros y aumentando su volumen, lo cual ocasiona que los esfuerzos entre meniscos (succión) disminuyan permitiendo la deformación. Este fenómeno está asociado con suelos arcillosos con densidades altas y presiones exteriores bajas. Al disminuir el comportamiento de esfuerzos internos por la humidificación del suelo, se presentara colapso si la estructura no es capaz de soportar la carga externa, mientras si es lo suficientemente fuerte se presentara el fenómeno de expansión.. 3 Diseño consolidometro edométrico no saturado El objetivo de los ensayos de edómetro es caracterizar el comportamiento de las estructuras de suelos a los cambios volumétricos que presentan los suelos no saturados. Estos cambios volumétricos (fenómenos de expansión y colapso) son de gran importancia pues pueden afectar las estructuras apoyadas sobre ellos y generalmente no son tomados en cuenta sus efectos en la etapa de diseño (ALFARO, 2007). La determinación en laboratorio de los efectos de cambio volumétrico en el suelo, son de vital importancia para los ensayos de interacción suelo atmósfera, pues están asociados al efecto del cambio de humedad dentro del suelo. Para poder realizar la medición de los parámetros o variables del estado tensional es necesario tener un equipo especial que permita un control de las presiones de aire, agua y tensión total. Existen muchos y diferentes equipos (métodos) diseñados para medir la deformabilidad de los suelos no saturados por efecto del cambio de humedad. Una de las técnicas de compresión confinada, es el edómetro. Un edómetro básicamente consiste en una célula provista de una placa porosa de alto valor de entrada de aire y de un pistón vertical a través del cual es posible la. 23.

(26) Capítulo I. Preparación de suelos aplicación de tensiones normales, así como, la medición de los cambios de volumen de la muestra de suelo (ALFARO, 2007). El edómetro diseñado tiene como mayor diferencia con respecto a uno convencional, la instrumentación adicional que posee y la posibilidad de hacer ensayos con casi cualquier tipo de curva de carga diseñada por el usuario.. 3.1 Diseño mecánico El diseño mecánico del sistema está basado alrededor de un sistema cilindro-pistón (ver Figura 2). La cámara del cilindro (1) es el volumen destinado a la ubicación de la muestra. El cilindro está provisto con 6 agujeros radiales (3), en tres de estos agujeros se instalan psicrómetros tipo Peltier (4) y en los demás celdas de carga unixiales (5), estas últimas instaladas para medir la fuerza lateral de la muestra. En la base del cilindro se encuentra las válvulas de acceso y salida (7) para el agua. Para evitar el flujo de suelo por estas válvulas y garantizar el ingreso por succión del agua en el suelo, se tiene en la base de entrada una piedra porosa (8). El pistón (9) es un cilindro hueco, donde se introduce el sensor de humedad (10) que se encuentra en contacto con el suelo de manera permanente. El pistón posee además un pequeño orificio (11), que permite que el aire atrapado dentro del suelo pueda salir o entrar libremente a medida que se aplica carga al pistón. El pistón está provisto de una rótula (12) de aplicación de la carga, que evita que se presenten posibles esfuerzos laterales a medida que se va aplicando la carga. Las celdas de carga axiales van ancladas a un marco de reacción (14) rígido en forma de anillo. Cada celda de carga posee un acople cilíndrico (13) que permite que se deslice sin restricción el pistón que va anclado al edómetro mediante 3 tornillos de ajuste (14). Todo el sistema se cierra mediante tres pernos (15).. 24.

(27) Diseño consolidometro edométrico no saturado Rotula pistón de aplicación (12). b). Agujero control presión (11). Sección de relajación. Pistón (9). Tornillo ajuste marco (14). Marco reacción (14). Sensor de humedad (10). Tornillos de ajuste cámara (15). Cámara del cilindro (1). Anillo retención. Eje aplicación (13). Celda de carga (5). Volumen muestra suelo. c). Piedra porosa (8). Agujeros Radiales (3) Psicrómetro (4). a). Válvulas ingreso agua (7). Figura 2 Diseño edómetro a) Partes principales, b) Sección y c) Análisis de elementos finitos deformación en metros.. El material usado para la construcción del equipo es un polímero de alta densidad y resistencias (resina fenólica). Un parámetro fundamental para el comportamiento del edómetro es la deformación que pueda ocurrir mientras se realiza el ensayo. Para verificar la conducta por deformación del equipo se realizo un análisis de elementos finitos como se ve en la parte c de la Figura 2. El modelo supone una presión radial de 500 kPa, y la deformación máxima calculada es del orden de 40 m.. 3.2 Diseño electrónico y control La parte más importante del edómetro es el sistema de aplicación y control de carga. El diseño está basado en un cilindro de accionamiento eléctrico (ver Figura 3), controlado por carga y/o desplazamiento. El cilindro eléctrico es una unidad servocontrolada, que obedece a comandos digitales enviados por medio de un puerto RS-232. Es controlado en desplazamiento de fábrica en lazo cerrado de manera interna. Para realizar el control en fuerza se instalo en el sistema una celda de carga, que se encuentra conectada a un sistema de adquisición de datos y este al computador de control. El control del cilindro se realiza en el computador por medio de un software diseñado en Visual Basic, el cual está encargado de usar una técnica de control PID tipo seguimiento, para garantizar la aplicación de la carga, lectura de sensores y ejecución de las rutinas programadas por 25.

(28) Capítulo I. Preparación de suelos el usuario. Las rutinas programadas por el usuario permiten realizar tareas a deformación controlada, velocidad controlada o carga controlada. Celda de carga compresión Anillo marco referencia Computador de adquisición de datos y control. Marco de reacción LVDT. Actuador eléctrico servocontrolado. Sistema de adquisición de datos Psicrómetros. Sistema de adquisición de datos. Vaso precipitado de recolección de agua. Figura 3 Equipo edométrico construido. El software de adquisición de datos y control está diseñado alrededor de una ventana principal (ver Figura 4), la cual tiene instalados los mandos de emergencia, comandos de inicio rápido y tres carpetas que agrupan los comandos básicos del ensayo. Las tres carpetas son: 1. Configuración de equipo: Se encuentran ubicados los puertos de comunicación con el ordenador, parámetros de calibración de sensores, sistema de visualización de estado del actuador y comandos de control manual del equipo. 2. Configuración de ensayo: Sección donde se introduce el programa para el control de carga que el sistema seguirá. El equipo está diseñado para realizar procesos de carga controlada, desplazamiento controlado y deformación controlada. Todas las variables físicas mediadas por los sensores son almacenadas en un archivo de texto plano. 3. Visualización: Gráficas de comportamiento de los sensores conectados en función del tiempo.. 26.

(29) Diseño consolidometro edométrico no saturado Mandos de emergencia Configuración de equipos. Control manual actuador. Visualización estado en el actuador. Configuración de canales de adquisición. Configuración actuador. Área de mensajes. Transmisión datos. de. Figura 4 Software de adquisición y control para ensayo edométrico.. 3.3. Psicrómetros tipo peltier. Existe comercialmente un gran número de métodos y equipos de medición de la succión. Se clasifican en dos grupos: mediciones directas y mediciones indirectas. Entre los métodos directos se encuentran: medición de presión negativa absoluta del agua de los poros, mientras entre los métodos indirectos usan: medición de humedad relativa, conductividad eléctrica y humedad del suelo, todas estas variables mediante una calibración externa son asociadas con la medición de la succión total o matricial (FREDLUND, 1993). Cada sistema presenta sus rangos óptimos de funcionamiento y su frecuencia de medición. En la Tabla 1 se puede observar una clasificación de los métodos existentes para medir la succión. Es importante ver como algunos métodos pueden durar varios días para realizar la medida y rangos de presiones limitados.. 27.

(30) Capítulo I. Preparación de suelos Tabla 1 Métodos y equipos de medición de la succión (FREDLUND, 1993) Succión medida total. Rango [kPa] 100-7500. Tiempo aprox. de equilibrio minutos. Psicrómetro de transistor. total. 100-71000. minutos. Papel filtro (en contacto). matricial. 30-30000. 7 días. Papel filtro (sin contacto). total. 400-30000. 7-14 días. Bloque poroso. matricial. 30-3000. semanas. Conductividad térmica. matricial. 0-300. semanas. Placa de succión. matricial. 0-90. horas. Placa de presión. matricial. 0-1500. horas. Tensiómetro estándar. matricial. 0-100. minutos. Tensiómetro osmótico. matricial. 0-1500. horas. Tensiómetro IC. matricial. 0-1800. minutos. Equipo Psicrómetro tipo Peltier. El efecto Peltier es uno de los fenómenos asociados con la termoelectricidad. En una junta Peltier se tienen dos tipos distintos de materiales unidos por solo un punto, si se hace circular una corriente a través de esa junta, se presentara un enfriamiento o calentamiento de la unión (inverso al efecto Seebeck). Una característica muy importante del efecto Peltier es que dependiendo de la dirección del flujo de la corriente es posible enfriar o calentar la junta. Un psicrómetro Peltier está diseñado para calcular la humedad relativa del aire atrapado dentro del suelo. De acuerdo con la ecuación de Kelvin (ver Ecuación [ 1 ]), existe una relación logarítmica entre la humedad relativa y la succión total (método indirecto de medición). La técnica de cálculo usado por el psicrómetro para determinar la humedad relativa consiste en la determinación de la temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo. La temperatura de bulbo seco corresponde simplemente a la temperatura del aire, en la de bulbo húmedo se toma un termómetro en el cual se moja el bulbo y se espera a que ocurra la evaporación. Con estos dos puntos es posible determinar la humedad relativa siguiendo las leyes psicométricas del aire (REN, 2000). Un psicrómetro es un sistema formado por dos termocuplas independientes. La termocupla de cobre-constatan (cobre-níquel) ubicada en la base del sensor (ver Figura 5), este sensor mide la temperatura de bulbo seco (que corresponde con la temperatura del suelo). En la parte central de la carcasa porosa se tiene un nuevo termopar del tipo constatan-chromel (cromo-níquel), correspondiente a la termocupla de bulbo húmedo. La unión de bulbo húmedo es de un calibre muy fino y esta unión es la que se utiliza el efecto Peltier. Cada uno de los termopares se encuentra 28.

(31) Diseño consolidometro edométrico no saturado unido por medio de un alambre de cobre, al exterior. Existen dos tipos de psicrómetros Peltier, su diferencia principal se basa en la carcasa porosa que se utiliza. En la fotografía de la Figura 5 se puede ver a la izquierda un sensor de malla metálica, mientras a la derecha se tiene un sensor de cerámica porosa, cada uno tiene sus ventajas que se pueden resumir en bajo costo para la malla metálica y menor efecto térmico para los de cerámica porosa.. Cable aislado PVC Capucha en vinilo Cable de drenaje carcasa Rojo Azul Negro. Constatan Cobre (-) Cobre (+). Unión cobre-constatan Pines de conexión de muy baja resistencia. Constatan (0.025 mm) Unión soldada. Tapón de teflón. Chromel (0.025 mm) Carcasa porosa cerámica o metálica. Figura 5 Estructura interna psicrómetro tipo cerámico y vista exterior de psicrómetro de malla metálica (izq.) y cerámica (der.) (ANDRASKI & SCANLON, 2002). El proceso de medición para utilizar los psicrómetros corresponde a un sistema cíclico de medición como se muestra en la Figura 6. El ciclo inicia con la medición de la temperatura de bulbo seco, luego se mide la diferencia de potencial entre el bulbo seco y el bulbo húmedo que corresponde al nivel cero del sistema (Figura 6a). Esta diferencia de potencial inicial corresponde a una propiedad fija de los materiales, pero influenciado también con el gradiente de temperatura (WESCOR, 1998). En la parte b se hace fluir una corriente a través del termopar de bulbo húmedo, generando una caída de temperatura por debajo del punto de roció, el vapor de agua disponible en el aire se inicia a condensar alrededor de la unión soldada (parte c). Después de un tiempo programado se suspende la inyección de voltaje y se realiza la medición de la temperatura generándose la diferencia de potencial máxima (parte d) que corresponde a la diferencia de temperatura entre el bulbo seco y la de bulbo húmedo. A medida que la temperatura de la junta se va acercando a la ambiental el. 29.

(32) Capítulo I. Preparación de suelos sistema va registrando una caída de voltaje (parte e) y finalmente en la parte f se espera que el sistema se estabilice, para reiniciar la medición. Lectura cero. Enfriamiento. Enfriamiento. Lectura. Lectura. a). b). c). d). e). Lectura cero. f). Figura 6 Principio de operación para lectura de Psicrómetros (FREDLUND, 1993). El principio de funcionamiento de los psicrómetros Peltier está basado en la Ecuación [ 3 ] (ANDRASKI & SCANLON, 2002). Donde T es la diferencia de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo, s es la pendiente de la curva de saturación de vapor (función de la temperatura del suelo) y * es la constante aparente psicrométrica del sensor. La presión de saturación de vapor ( u 0 ) y s depende fuertemente de la temperatura. u u 0. 1. *. s u. T. [3]. 0. Como se ve en la conexión interna del sensor en la Figura 5, las terminales conectadas hacia el equipo de adquisición de datos permiten medir: la temperatura en la base (cobre-constatan) y la diferencia de potencial entre la unión soldada de chromel-constatan. La primera nos permite determinar la temperatura del suelo (usado para la corrección por temperatura de la medida), mientras la segunda nos devuelve directamente la diferencia de temperatura entre el bulbo seco y bulbo húmedo (utilizado para el cálculo de la humedad relativa, Ecuación [ 3 ]). Uno de los problemas fundamentales de este método de estimación de la succión es la dependencia que tiene la humedad relativa con la temperatura (FREDLUND y RAHARDJO, 1993). En la Figura 7 se puede ver como varia la succión de acuerdo con la temperatura. El efecto es pequeño en los extremos de la gráfica con HR cercanos a 0% o a 100%, pero de magnitud significativa en HR medias (puede llegar a ser cambios de 5% con un T de solo 10 °C). Los rangos de succión que se 30.

(33) Diseño consolidometro edométrico no saturado encuentran en los suelos son muy cercanos a 100% (SKIERUCHA, 2004), por lo tanto el efecto de la temperatura sobre las mediciones no es ocasionado por la ecuación de Kelvin. 1. Humedad Relativa. 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. T=30 °C T=20 °C T=10 °C. 0 0.01. 0.1. 1. 10. Succión (MPa). 100. Figura 7 Efecto de la variación de la temperatura en la humedad relativa en función de la succión.. El efecto térmico de los sensores se ha estudiado de manera extendida por autores como Andraski (ANDRASKI & SCANLON, 2002), en la Figura 8 se muestran las variaciones ocurridas durante un ciclo diario para un psicrómetro introducido dentro de un prototipo fijo. Las variaciones cíclicas de los sensores ante los cambios de temperatura son ocasionados a los gradientes térmicos que aparecen entre la termocupla de bulbo seco y húmedo. Se pude observar como la ubicación en forma horizontal de los psicrómetros disminuye en gran medida los efectos de la variación de temperatura. mediodía. medianoche. mediodía. medianoche. mediodía. medianoche. mediodía. (Flujo de calor fuera del suelo). medianoche. (Flujo de calor dentro del suelo). Voltaje salida ( V). mediodía. invertido. horizontal. Succión (MPa). vertical. mediodía. medianoche. mediodía. medianoche. mediodía. Figura 8 Efecto del cambio de temperatura en las mediciones de succión con psicrómetros (ANDRASKI & SCANLON, 2002).. 31.

(34) Capítulo I. Preparación de suelos Para mitigar el efecto de la temperatura sobre las lecturas de los psicrómetros se debe hacer una corrección emperica sobre el resultado obtenido, usando la Ecuación [ 4 ] (WESCOR, 1998). En la Ecuación [ 4 ], R es la lectura obtenida por el sensor, T es la temperatura en grados centígrados y Rc es la lectura corregida. Esta ecuación está desarrollada para corregir el efecto por temperatura cuando se desvía de la temperatura de calibración (25 °C).. Rc. R 0.325 0.027 T. [4]. 3.3.1 Equipo de adquisición de datos psicrómetros tipo peltier Los equipos de adquisición de datos para psicrómetros existen diferentes métodos, equipos manuales en los cuales la lectura resultante es dibujada en papel o indicación por dial (por ejemplo el equipo Wescor HR-33T) y sistemas automáticos de medición, en los cuales se configuran una serie de parámetros base y el sistema realiza las tareas descritas en la Figura 6 y almacena en una memoria no volátil los registros realizados. El edómetro diseñado utiliza el equipo Datalogger CR7 de la empresa Campbell Scientific. El Sistema de Control y Medida CR7 combina la medida de precisión con la capacidad de control y procesamiento en un sistema operado por batería (CAMPBELL SCIENTIFIC, 1997). El CR7 es una unidad completamente independiente diseñada para ser usada en lugares remotos y con difíciles condiciones ambientales. Este equipo está diseñado para ser acoplado a distintos tipos de sensores, para ello su estructura está basada en una serie de puertos que pueden ser cambiados o ampliados por tarjetas electrónicas. El sistema posee además un lenguaje de programación propio que permite configurar el comportamiento y método de medición del equipo.. 32.

(35) Diseño consolidometro edométrico no saturado Tabla 2 Características principales Datalogger CR7 (CAMPBELL SCIENTIFIC, 1997) Fuentes individuales de instrumentación Canales de adquisición. RS232 Puerto de comunicación Display de programación. CARACTERÍSTICAS: Frec. muestreo (max) Canales Almacenamiento. Teclado de programación. Resolución entrada Conversor A/D. Unidades de inyección psicrómetros. Botón encendido. 80 Hz 5 280.000 datos 50nV 16 bits. de. 508 mm. 3.4. Sensor de humedad. La humedad o contenido de agua, es la cantidad de agua en peso que una muestra de suelo tiene, expresada en términos de porcentaje con respecto al peso de la fase solida. Su valor se determina pesando una muestra de suelo de entre 100 y 300 gr antes y después de ser sometida a un proceso de secado al horno a 110°C durante un tiempo de 18 a 24 horas (CASTRO, 2008). La técnica tradicional de cálculo de humedad es un método destructivo de poca aplicación en modelos dinámicos (como lo son los modelos de centrífuga o edómetro). El diseño de un dispositivo que tenga la capacidad de medir en tiempo real las variaciones de humedad en el suelo y que no necesite la destrucción de la muestra seria de gran utilidad. Basándose en la propiedad de los materiales según la cual la variación de humedad, causa un cambio en las propiedades dieléctricas y resistivas del mismo, se diseño un sensor de humedad.. 3.4.1 Diseño El principio de funcionamiento de este equipo está basado en las variaciones de las variables eléctricas como la resistividad (o conductancia) y capacitancia que presenta el suelo debido al cambio en el contenido de sales, humedad y densidad. La resistividad en el suelo es máxima cuando se tiene un bajo porcentaje de humedad y mínima cuando se encuentra saturado. El sensor tiene dos anillos conductores de la electricidad, separados por un material dieléctrico, cuya cara externa se encuentran en contacto directo con el suelo. Cuando se aplica una diferencia de potencial eléctrico entre los dos anillos sumergidos dentro del suelo, causa un flujo de corriente eléctrica, cuya cuantía depende del potencial eléctrico aplicado a los anillos y la resistencia eléctrica que ofrece el. 33.

(36) Capítulo I. Preparación de suelos suelo a este flujo (ley de Ohm). Se presenta además un efecto mínimo de capacitancia eléctrica debido a que el suelo puede funcionar como un dieléctrico, entre los dos anillos conductores. El circuito está basado en un multivibrador astable que varía la frecuencia de oscilación de acuerdo a la variación de la resistencia y capacitancia externa conectada al sensor (circuito RC en serie). Para ello tiene conectado los anillos de medición a un condensador de capacitancia fija. Uno de los anillos se encuentra conectado a la referencia del circuito (0 Voltios), el otro anillo está conectado al condensador por medio de transistor que actúa como un swicht conmutador. En el primer paso del ciclo de medición el sistema carga el condensador, manteniendo abierta la conexión a los anillos de medición. Una vez la carga supera un nivel máximo de voltaje predeterminado, se suspende la entrada de energía al condensador y se acciona el transistor de conexión a los anillos. El condensador inicia un proceso de descarga, el tiempo de descarga del mismo depende del nivel de corriente que fluya por el suelo (resistencia eléctrica). Una vez el condensador llega a un nivel mínimo de voltaje configurado el circuito desconecta la referencia del condensador y se inicia de nuevo la carga del condensador, reiniciándose así el ciclo de operación. Los tiempos de carga y descarga provocan una señal periódica cuya frecuencia de oscilación depende solamente de las características eléctricas del suelo en medición.. Anillos de medición. Condensador de descarga. Volts. Vmin. Volts Vmax. Volts. T. Vmax Vmin Vmin. Tiempo. Figura 9 Principio eléctrico de funcionamiento sensor de humedad. De arriba abajo: Carga del condensador, Inyección en el suelo y Reinicio del sistema. Para realizar la medición en línea de los cambios en la frecuencia el dispositivo tiene instalado un sistema de conversión de frecuencia a voltaje para un rango de 0 a 100 KHz, con lo cual se obtiene una salida proporcional en voltaje de las variaciones de las propiedades eléctricas del suelo. El 34.

(37) Diseño consolidometro edométrico no saturado rango de frecuencias generadas por el oscilador (de acuerdo al contenido de humedad del suelo) varían en el orden de 500 a 8000 Hz. En la Figura 10 se muestra el diseño definitivo desarrollado para el sensor de humedad. El cuerpo está construido en PVC y los anillos conductores en acero inoxidable. El sensor está fabricado alrededor de un tubo hueco por el cual salen los cables de conexión con una longitud de 2 m y una estructura roscada que ajustan los anillos al cuerpo del sensor. Los cables son conectados a la tarjeta eléctriconica que tiene configurado el multivibrador astable. La longitud y dimensiones del sensor están diseñadas para acoplarse al edómetro que se muestra más adelante. Ducto salida de cables. Anillos de medición. 84 mm. Anillos de medición. Rosca ajuste. 19.5 mm. de. VISTA EN SECCIÓN. Figura 10 Dimensiones y partes principales sensor de humedad. 35.

(38) Capítulo I. Preparación de suelos. 4 Preparación del suelo para ensayos Para el estudio de las consecuencias en distribución de esfuerzos que el proceso de consolidación vertical origina sobre los modelos para centrífuga geotécnica, se utilizo como material de estudio de ensayo el Caolín Speswhite El caolín es un silicato de aluminio hidratado, que se forma como producto de la descomposición de rocas feldespáticas principalmente (MURILLO, 2006). Fue seleccionado debido a su capacidad de ser un suelo potencialmente expansivo. En la Tabla 3 se presentan algunas de las propiedades principales del material. Tabla 3 Propiedades básicas y límites de Atterberg para caolín Speswhite (Imerys) Propiedad Mineralogía. Caolinita. Forma de partícula. Aplanada 1:20. Gravedad especifica. 2.6. Índice de refracción. 1.56. Dureza MOH. 2.5. pH. 5-7.5. Lim. liquido WL (%). 55. Lim. plástico WP (%). 30. Índice plasticidad IP (%). 25. En la Figura 11 se pueden observar las curvas de caracterización para el caolín seleccionado. La prueba de Proctor estándar muestra que el valor optimo de humedad (wopt) se encuentra alrededor del 25 %, con una densidad seca aprox. ( d) de 1.42 g/cm3, mientras el wopt para el Proctor modificado esta alrededor del 20% y un. 36. d. de 1.5 g/cm3..