ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
ENSAYO DE CORTE DIRECTO La finalidad de los ensayos de corte, es determinar la resistencia de una muestra de suelo, sometida a fatigas y/o deformaciones que simulen las que existen o existirán en terreno producto de la aplicación de una carga. El ensayo de corte directo se realiza con el objetivo principal de determinar el valor de la cohesión, así como el ángulo de fricción interna de un suelo sometido a esfuerzo cortante. Este ensayo impone sobre un suelo condiciones idealizadas, o sea indica la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas, una normal por una carga vertical aplicada y un esfuerzo cortante debido a la acción de una carga horizontal. Como el esfuerzo cortante y el esfuerzo normal tienen el mismo significado en la construcción del Círculo de Mohr, en lugar de resolver una serie de ecuaciones para C y tanФ, es posible dibujar en un plano de ejes coordenados estos valores para los diferentes
ensayos y proponer promedio del valor de la cohesión en el corte en Y f por la pendiente de esta recta. El objetivó Determinar la Cohesión y el Ángulo de fricción Interno, que permitan establecer la resistencia al corte de los suelos ensayados. Determinar la resistencia al esfuerzo cortante o capacidad portante del suelo en estudio, utilizando el ensayo de corte directo. Resistencia al corte de un suelo Esta resistencia del suelo determina factores como la estabilidad de un talud, la capacidad de carga admisible para una cimentación y el empuje de un suelo contra un muro de contención. Ecuación de falla de Coulomb
Coulomb observo que si el empuje de un suelo contra un muro produce un desplazamiento en el muro, en el suelo retenido se forma un plano recto de deslizamiento. El postulo que la máxima resistencia al corte, τf , en el plano de falla, está dada por:
= c + σ tg φ Dónde: σ = Es el esfuerzo normal total en el plano de falla. υ = Es el ángulo de fricción del suelo (por ejemplo, arena) c = Es la cohesión del suelo (por ejemplo, arcilla).
Este ensayo consiste básicamente en someter una muestra de suelo de sección cuadrada y 2.5 cm. De espesor, confinada lateralmente, dentro de una caja metálica, a una carga normal (s) y a un esfuerzo tangencial (τ), los cuales se aumentan gradualmente hasta hacer fallar a la muestra por un plano preestablecido por la forma misma de la caja (consta de dos secciones, una de las cuales es móvil y se desliza respecto a la otra, que es fija, produciendo el esfuerzo de corte). En el ensayo se determina cargas y deformaciones.
El ensayo se puede realizar sobre muestras inalteradas a fin de obtener resultados que se aproximen a las características que tiene el suelo en su estado natural. También es posible realizarlo sobre muestras alteradas, previamente preparadas en el laboratorio, a fin de obtener características similares de compacidad y contenido de humedad a los que tendrá el material puesto en obra. Además se puede ensayar la muestra tal como viene del campo, o como haya sido preparada en el laboratorio, utilizando el molde respectivo o tallando 4 probetas cuadradas con las siguientes dimensiones: 5x5x1.8 cm. Seguidamente se determina el peso, el volumen y el contenido de humedad de la muestra correspondiente. Colocar la muestra en la caja de corte directo e inmovilizarla con la ayuda de los seguros. A seguir colocamos la placa con los resaltos sobre la muestra. Colocar la esfera de acero sobre la placa de reparto y situar sobre ella, el yugo de aplicación de la carga vertical. Bajar dicho yugo, con la ayuda del tornillo de seguridad de la palanca de carga.
Sobre el yugo colocar el extremo móvil de un deflectómetro para medir las deformaciones verticales de la caja. Colocar en la palanca las pesas necesarias para dar una presión vertical prevista. Leer el asiento registrado en el deflectómetro vertical.
Durante el corte se presenta a veces un aumento de volumen, el motivo es que los granos de suelo, se encuentran lubricados y para que pueda producirse un desplazamiento entre ellos, tienen que desencajarse los unos de los huecos de los otros, este fenómeno se conoce como Dilatación Positiva o simplemente
ENSAYO PRÓCTOR ESTÁNDAR OBJETIVOS GENERALES:
Hallar la máxima densidad y el óptimo contenido de humedad del material de base.
Hallar el Contenido de Humedad Óptima del material de base para energía estándar y modificada.
Hallar la Densidad Seca del material de base para energía estándar y modificada.
COMPACTACIÓN DE LOS SUELOS La compactación es el procedimiento de aplicar energía al suelo suelto para eliminar espacios
vacíos, aumentando así su densidad y en
consecuencia , su capacidad de soporte y estabilidad entre otras propiedades. Su objetivo es el mejoramiento de las propiedades de ingeniería del suelo.
PRÓCTOR ESTÁNDAR La prueba consiste en compactar el suelo a emplear en tres capas dentro de un molde de forma y dimensiones normalizadas, por medio de 25 golpes en cada una de ellas (56 para el Método C) con un pisón de 2,5 [kg] de peso, que se deja caer libremente desde una altura de 30,5 [cm]. Con este procedimiento Proctor observó que para un suelo dado, a contenido de humedad creciente incorporado a la masa del mismo, se obtenían densidades secas sucesivamente más altas (mejor grado de compactación). Asimismo, notó que esa tendencia no se mantenía indefinidamente si no que, al superar un cierto valor la humedad agregada,
las densidades secas disminuían, con lo cual las condiciones empeoraban. Es decir, puso en evidencia que, para un suelo dado y a determinada energía de compactación, existe un valor de “Humedad Óptima” con la cual puede alcanzarse la “Máxima Densidad Seca”. El Ensayo Proctor Estándar también es conocido como Ensayo AASHTO T–99 (American Association of State Higway and Transportation Officials – Asociación Americana de Agencias Estatales de Carreteras y Transportes).
MATERIALES Y MÉTODO
A. Materiales:
Molde De 6”
Horno de secado
Pisones manuales Estándar
Modificado
3 4
TAMICES
Espátula, cuchara y brocha
y
Balanza
Recipientes Probeta (500ml)
Ensayo N°1 (Próctor estándar)
1. Wmolde = 6450 g 2. Vmolde = π (7,7 cm)2 (11,4 cm)
Vmolde = 2123,4 cm3 DATOS Y RESULTADOS ENSAYO N°1 PROCTOR ESTANDAR
MUESTRA
I
II
III
IV
V
Volumen del molde (cm )
2123.4
2123.4
2123.4
2123.4
2123.4
Peso del molde (gr)
6450.0
6450.0
6450.0
6450.0
6450.0
11132.0
11370.5
11593.0
11570.0
11500.0
Peso de la muestra húmeda (gr) Densidad húmeda de la muestra 3 (gr/cm )
4682.0
4920.5
5143.0
5120.0
5050.0
2.205
2.317
2.422
2.411
2.378
Contenido de humedad Densidad húmeda de la muestra 3 (gr/cm )
3.34%
5.06%
7.73%
8.95%
11.20%
2.134
2.206
2.248
2.213
2.139
3
Peso del molde + muestra húmeda (gr)
CONTENIDO DE HUMEDAD
Peso de la tara (gr) Peso de la tara + afirmado húmedo
zona ↑
24.516
23.518
24.155
24.752
23.988
zona ↓
25.002
24.392
24.978
24.920
24.595
zona media
24.153
25.150
24.347
24.449
24.585
zona ↑
104.026
99.005
105.983
147.588
144.661
zona ↓
115.818
110.151
123.530
134.037
149.502
(gr) Peso de la tara + afirmado seco (gr)
Peso del agua (gr)
Peso del afirmado seco (gr)
Contenido de humedad (%)
zona media
101.078
126.261
126.783
134.203
147.945
zona ↑
101.459
95.015
99.953
137.204
132.600
zona ↓
113.223
106.495
116.552
125.742
137.037
zona media
98.444
121.350
119.478
124.983
135.413
zona ↑
2.567
3.990
6.030
10.384
12.061
zona ↓
2.595
3.656
6.978
8.295
12.465
zona media
2.634
4.911
7.305
9.220
12.532
zona ↑
76.943
71.497
75.798
112.452
108.612
zona ↓
88.221
82.103
91.574
100.822
112.442
zona media
74.291
96.200
95.131
100.534
110.828
zona ↑
3.34%
5.58%
7.96%
9.23%
11.10%
zona ↓
2.94%
4.45%
7.62%
8.23%
11.09%
zona media
3.55%
5.10%
7.68%
9.17%
11.31%
PROM(↑,↓)
3.14%
5.02%
7.79%
8.73%
11.10%
PROMEDIO
3.34%
5.06%
7.73%
8.95%
GRAFICO: DENSIDAD vs HUMEDAD ) 3 m c / r g ( a c e S d a d i s n e D
2.26 2.24 2.22 2.20 2.18 2.16 2.14 2.12 3.0%
5.0%
7.0%
9.0%
11.0%
Contenido de Humedad (%)
Máxima Densidad Seca
2,248 gr/cm3
Contenido de Humedad
7,90 %
13.0%
11.20%
Medida de la permeabilidad: ensayos de laboratorio y ensayos “in situ” La estimación de la permeabilidad en suelos tiene diversos intereses, algunos directos en el proyecto de una edificación, como puede ser la valoración de la influencia de las aguas subterráneas sobre construcciones soterradas (plantas sótano, por ejemplo) a efectos de diseño de sistemas o procedimientos de impermeabilización o drenaje. En tal sentido, el Código Técnico de la Edificación – en su documento básico dedicado a la salubridad (DB HS) – requiere de la valoración cuantificada de la permeabilidad del terreno en contacto con las soleras y las estructuras de contención. La estimación de la permeabilidad de los suelos (y en su caso, del macizo rocoso) puede realizarse mediante tres clases de procedimientos: - Valoración de la permeabilidad mediante relaciones empíricas establecidas entre la misma y alguna característica del suelo, generalmente su granulometría. - Medida directa de la permeabilidad sobre una muestra adecuada (inalterada) en laboratorio. - Estimación directa de la permeabilidad “in situ”, realizada durante la ejecución de sondeos o pozos, consistentes en la medida de las pérdidas en una columna de agua con la que se ha inundado la perforación. De entre los ensayos “in situ”, los métodos que se citan generalmente corresponden a los ensayos Lugeon (habitualmente realizado en macizos rocosos fracturados), Lefranc (llevado a cabo generalmente en suelos relativamente permeables) y Slug Test (también en suelos permeables.) Para el caso de suelos poco permeables, los ensayos “in situ” son poco adecuados, requiriéndose la toma de muestras y la realización de ensayos en laboratorio sobre las mismas. Según el objeto de la investigación puede escogerse entre ensayar muestras adecuadamente inalteradas (si es posible su obtención), o representativas, las cuales se recompactan en el laboratorio para obtener probetas que reproduzcan las condiciones del terreno. Una vez confeccionada la probeta a ensayar, el material se satura y se induce a través del mismo un flujo, cuyo caudal es medido en condiciones preestablecidas.
Los métodos habituales de laboratorio son los siguientes: - Sobre muestras inalteradas o recompactadas: ensayo en célula triaxial, con presión en cola, bajo carga constante o variable (se trata del ensayo más adecuado para suelos de muy baja permeabilidad.) - Sobre muestras recompactadas: Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga constante (generalmente en suelos de permeabilidad alta). Ensayo en permeámetro de célula estanca bajo carga variable (apto para suelos de permeabilidad media a baja). Los ensayos de carga constante consisten en el mantenimiento del gradiente hidráulico, determinando el caudal necesario para que dicha carga hidráulica se mantenga constante. En los ensayos de carga variable, en cambio, se inicia el proceso bajo un gradiente determinado, y se observa la variación del mismo con el tiempo.
Las siguientes figuras ilustran los métodos operativos descritos tanto para ensayos en sondeo como en el laboratorio:
Esquema del sistema utilizado para la medida de la permeabilidad “in situ” mediante el ensayo Lugeon (nótese la colocación de un obturador en el sondeo, que impide la subida del nivel de la columna de agua por la perforación, y el mantenimiento de la presión hidráulica en la sección ensayada a presión constante, midiendo el caudal inyectado.)
Ensayo Lefranc bajo carga constante
Ensayo Lefranc bajo carga variable
Esquemas de los procedimientos utilizados para la medida de la permeabilidad “in situ” mediante el ensayo Lefranc (en este caso se puede optar por mantener la columna de agua a nivel constante, midiendo el caudal necesario para estabilizarla, o variable, midiendo la variación del gradiente.) Fuente: F.J. Sánchez Sanroman: Medidas Puntuales de Permeabilidad (“slug tests”).
Esquema del equipo de laboratorio para ensayos de suelos en célula confinada y mediante carga constante (Das, 1998)
ENSAYOS DE PERMEABILIDAD Las pruebas de permeabilidad de campo son ensayos que sirven para medir la velocidad del flujo de agua a través de los vacíos del suelo o fracturas de roca, que se encuentran dentro de la perforación. Determinación de la Permeabilidad. La permeabilidad de un suelo puede medirse en el laboratorio o en el campo; las determinaciones de laboratorio son mucho mas fáciles de hacer que las determinaciones in situ. Debido a que la permeabilidad depende mucho de la estructura del suelo (tanto la microestructura o disposición de las partículas como la macroestructura: estratigrafía, etc.) y debido a la dificultad de obtener muestras de suelo representativas, suelen ser necesarias determinaciones in situ de la permeabilidad media. Sin embargo, las pruebas de laboratorio permiten estudiar la relación de vacíos por lo cual se suelen realizar habitualmente cuando no se dispone de medidas de campo. Los ensayos de permeabilidad de campo asociados a la perforación diamantina son de varios tipos: Ensayo de permeabilidad Lefranc para suelos. Ensayo de permeabilidad Lugeon para rocas.
Ensayo de permeabilidad Nasberg para materiales no saturados. El Procedimiento de la prueba de permeabilidad Lefranc y Lugeon, como complemento de la investigación geognóstica consiste en aprovechar la perforación para hacer circular el caudal de agua a través del tubo de revestimiento hasta el fondo de la perforación de manera que exista un flujo constante; con ayuda de un caudalimetro se mide el caudal de agua a intervalo de Iminuto durante 10 minutos y mediante las formulas matemáticas existentes se determina la permeabilidad del suelo o roca en el punto de perforación.
Ensayo de Permeabilidad LEFRANC Este ensayo permite determinar la permeabilidad local de suelos y rocas muy fracturadas localizadas debajo del nivel freático. Para la medición de la permeabilidad de rocas sanas el ensayo Lugeon es el mas apropiado sobre todo en la exploración para boquillas de presas. Para la determinación de la permeabilidad en zonas amplias se utilizan las pruebas de bombeo. Existiendo dos formas de realizar la permeabilidad del tipo LEFRANC, para suelos inestables Permeabilidad Puntual (carga constante) y para suelo no deslenables Permeabilidad Lateral (carga variable) Estos ensayos consisten en inyectar o extraer agua de una perforación con una carga hidráulica pequeña y medir el caudal correspondiente, la carga hidráulica puede ser constante o variable según el tipo de suelo, en general en suelos permeables como arenas y gravas (k>10-4 cm/seg) el ensayo se hace de inyección y carga constante, y en los suelos pocos permeables (k<104 cm/seg) como arenas finas, limos y arcillas se hace la extracción con carga variable. Los procedimientos para ambos ensayos se pueden definir como: La permeabilidad puntual a carga constante, se deja correr el caudal hasta la profundidad de perforación sin levantar el casing; y para el ensayo de permeabilidad lateral a carga constante se levanta el tubo de revestimiento casing entre 0.50 m. a 1.00 m. de tal manera que el agua fluye a través de las paredes de material perforado. En ambos procedimientos se mide la velocidad del flujo del agua con respecto al tiempo, que fluyen por medio de los vacíos del suelo o fracturas de la roca, y así de esta manera conocer si el suelo tiene buena, mediana o baja permeabilidad. Este equipo esta compuesto por: Un tanque para suministrar caudal constante. Un tanque de volumen conocido para medir caudal. Tubería de conducción. Una sonda eléctrica para determinar el nivel del agua.
Casing o Ademe metálico NX en caso de no haberse usado en la perforación. Un cono con una válvula de tres vías que permite el paso del agua a la conducción y la medición del caudal usando un tanque de volumen conocido, puede usarse un tubo de Venturi para medir dicho caudal. El equipo necesario para el ensayo de permeabilidad de bombeo o extracción a carga variable : Este equipo esta compuesto por: Un tubo metálico cerrado en el fondo con el que se extrae a la perforación bajándolo con un cable. Una sonda eléctrica para determinar la variación del nivel freático en la perforación. Casing o Ademe metálico en caso de no haberse usado en la perforación.
Procedimiento de Operación. En ambas pruebas una vez instalado el equipo se coloca la parte inferior del casing a una distancia L del fondo de la perforación (esta debió ser realizada sin lodos). Esta distancia será nula cuando se desee obtener la permeabilidad local vertical y de 40 cm, para obtener la permeabilidad local horizontal luego se mide profundidad del nivel de agua respecto a la parte superior del casing. En la prueba de inyecciones llena el tanque y se abre la válvula de aguja y la de tres vías, con la finalidad de introducir un caudal constante en la perforación: se mide con la sonda eléctrica la variación del nivel freático en la perforación con el tiempo respecto a la parte superior del casing y se anota en una hoja de registro. Cuando se haya estabilizado el nivel por 10 min. Se tendrá un valor de la profundidad del nivel freático para un caudal que es determinado haciendo pasar el agua al recipiente de volumen conocido y tomado el tiempo que tarda en llenarse. Estos datos se anotan en un formato de registro. Una vez medido el caudal se hace pasar el agua nuevamente a la perforación mediante la válvula de tres vías y se abre mas la válvula de agua para incrementar el caudal. Se hacen varias pruebas, generalmente cuatro, que se pueden realizar en unas dos horas. En la prueba de extracción se determina la posición del nivel freático como en el caso anterior y se saca agua de la perforación con un yacimiento de tubos, cerrada en la parte inferior, para abatir el nivel de agua dentro del ademe a diferentes tiempos para poder hacer el gráfico de recuperación versus tiempo. La medición del nivel de agua dentro del casing se hace respecto a la parte superior del mismo.
Interpretación. La interpretación de estas pruebas se hace basándose en la ley de DARCY para las condiciones de flujo y de frontera impuestas en cada caso. En el ensayo de carga constante se obtiene en la grafica cargas versus caudales, las cargas se calculan con la expresión:
Del ensayo de carga variable se obtiene la grafica recuperación versus tiempo. Las recuperaciones (hi) para cada tiempo se calculan de igual forma que en el caso anterior (hi = H - H.) La relación L/D, define la forma aproximada de la cavidad en que se genera el flujo, también define si la permeabilidad calculada corresponde a la vertical, horizontal o promedio.
