2014 Ensayos de Corte de Veleta
Grupo 3
ENSAYOS DE CORTE DE VELETA
I.
INTRODUCCIÓN:
La Resistencia al Corte de los Suelos es uno de los puntos fundamentales de toda la Mecánica de Suelos. En efecto, una valoración correcta de ese concepto constituye un paso imprescindible para intentar con esperanzas de éxito, cualquier aplicación de la Mecánica de Suelos al análisis de la estabilidad de las obras civiles. La resistencia al cortante depende del grado de saturación y este varía con el tiempo. Esta situación dificulta la realización de ensayos representativos en muestras no saturadas y generalmente, se acostumbra trabajar con muestras saturadas. Las envolventes de falla para suelos y rocas son generalmente, no lineales en un rango amplio de esfuerzos, por esta razón los ensayos deben idealmente, ser realizados en el rango de esfuerzos correspondiente a la situación de diseño. Por ejemplo, para deslizamientos poco profundos deben utilizarse esfuerzos normales pequeños y para fallas profundas esfuerzos normales mayores.
II.
ENSAYO DE CORTE POR VELETA DE CAMPO DE SUELOS COHESIVOS:
1. Definición del Ensayo: Consiste básicamente en colocar una veleta de cuatro hojas dentro del suelo inalterado, y en girarla desde la superficie para determinar la fuerza de torsión necesaria para lograr que una superficie cilíndrica sea cortada por la veleta; con esta fuerza de corte se halla, entonces, la resistencia unitaria de dicha superficie. Es de importancia básica que la fricción de la varilla de la veleta y la del aparato sean tenidas en cuenta porque de otra manera, la fricción sería inadecuadamente registrada como resistencia del suelo. Las medidas de fricción bajo condiciones que no implican carga, como cuando se emplea un vástago liso en lugar de la veleta, o una veleta que permita alguna rotación libre de la varilla antes de someterla a carga, son satisfactorias únicamente cuando el giro sea aplicado mediante un momento balanceado que no se traduzca en empuje lateral. A medida que las fuerzas de torsión se hagan más grandes durante un ensayo, un empuje lateral en el instrumento se traducirá en un incremento de fricción no considerado en las lecturas iniciales sin carga. No se recomiendan instrumentos que produzcan empuje lateral. La varilla de la veleta debe tener suficiente rigidez para que no sufra torsión bajo condiciones de carga plena, de lo contrario, se deberá hacer una corrección al dibujar las curvas de Momento vs. Rotación.
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2. Objetivos: o
o
o
Este método establece el procedimiento del ensayo de veleta en el terreno, en suelos cohesivos blandos y saturados. Es necesario conocer la naturaleza del suelo en el cual se ha de efectuar cada ensayo, para asegurarse de su aplicación e interpretación. Los valores se deben expresar en unidades SI. Esta norma no considera los problemas de seguridad asociados con su uso. Es responsabilidad de quien la emplee, establecer prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y determinar la aplicación de limitaciones regulatorias antes de su uso.
3. Definición del Equipo: El Equipo de Veleta de Campo consiste en varias partes, como se describe a continuación: El Conjunto para aplicar la torsión, consiste en un anillo robusto, de 12,7cm. de diámetro exterior, 2,54cm. de altura y un espesor de 1,44cm. , con la finalidad de aplicar un momento de equilibrado al vástago de la veleta sin necesidad de un cojinete de empuje. El anillo tiene una sección cortada, la cual se deformará según se aplique la torsión y su deformación viene indicada por un medidor con dial, este conjunto se calibra en metros – kilo de torsión. Una rueda dentada de 25,4cm. que está unida al anillo de torsión, engrana con una manivela que funciona con velocidad controlada. Esta rueda dentada está marcada en grados y tiene un índice para indicar la graduación. Una entubación normalizada de 20,32cm. por 60cm. de longitud con salientes laterales para apoyar en el terreno y enterrarse en una profundidad de 30cm., se emplea para anclar el dispositivo de torsión. Puede utilizarse ampliaciones para variar el nivel del aparato y la profundidad de colocación de la veleta, o para elevar el aparato por encima del nivel freático. El varillaje de la veleta está formado por: o
o
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Una sección superior cuadrada que pasa a través del anillo de torsión Una sección central constituida por una varilla de perforación normalizada tipo A de 1,5 cm. de longitud.
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Una sección inferior de acero inoxidable de 2,5 cm. en el que va soldada la veleta. Una entubación tipo BX, de 1,5 cm. de longitud que envuelve la varilla de la veleta y contiene en la parte inferior un cojinete estanco.
El cojinete está unido a una junta estanca de goma anular y tiene un engrasador. Las aspas de la veleta que se unen al extremo de la varilla son de cuatro tamaños: o o o o
De 10cm. de diámetro por 20cm. de longitud. De 7,5cm. de diámetro por 15cm. de longitud. De 6,2cm. de diámetro por 12,7cm. de longitud. De 5cm. de diámetro por 10cm. de longitud.
El tamaño de la veleta elegida deberá ser el más conveniente para el estado general del suelo. En la tabla se puede observar, cuales son las dimensiones de la veleta más recomendable para cada suelo y el rango de operación de la resistencia al corte.
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4. Procedimientos:
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Cuando se emplee revestimiento para la veleta, se deberá avanzar con ella hasta una profundidad no menor de cinco veces el diámetro del revestimiento, por encima de la profundidad deseada para la punta de la veleta. Cuando no se utilice revestimiento, se deberá suspender la perforación a una profundidad tal que la punta de la veleta pueda penetrar dentro del suelo inalterado, una profundidad de, por lo menos, cinco veces el diámetro de la perforación. Se deberá penetrar la veleta desde el fondo del agujero o de su revestimiento, mediante un empuje simple, hasta la profundidad a la cual se va a efectuar el ensayo, cuidando que no se aplique torsión durante dicho empuje. Con la veleta en posición, se deberá aplicar el giro a una velocidad que no exceda de 0.1°/segundo. Generalmente se requieren para la falla, entre 2 y 5 minutos, excepto en arcillas muy blandas en las cuales el tiempo de falla puede elevarse a 10 ó 15 minutos. En materiales más duros, que alcanzan la falla con una deformación pequeña, se puede reducir la rata del desplazamiento angular de tal manera que se pueda obtener una determinación apreciable de las propiedades esfuerzo-deformación. Durante la rotación de la veleta, se deberá mantener ésta a una altura fija. Se deberá registrar el momento máximo. Con aparatos de transmisión, es aconsejable anotar los valores intermedios del momento obtenido en ese instante, a intervalos de 15 segundos o menores, si es requerido. Después de determinar el máximo momento, se rota rápidamente la veleta un mínimo de 10 revoluciones; inmediatamente después se determinará la resistencia remoldeada, en todos los casos dentro del minuto siguiente al remoldeo. En los casos en los cuales el suelo esté en contacto con la varilla de giro, se determina la fricción entre la varilla y el
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suelo por medio de ensayos de giro efectuados con varillas similares a profundidades equivalentes, sin la veleta colocada. Se debe efectuar el ensayo de fricción de la varilla por lo menos una vez en cada sitio. o
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Para determinar la magnitud de la fricción de los cojinetes o guías, en aparatos en los cuales la varilla de giro esté completamente aislada del suelo, se deberá realizar un ensayo de fricción con una varilla lisa al menos una vez en cada sitio. En dispositivos de veleta que funcionen adecuadamente, esta fricción deberá ser despreciable. Además, en algunos casos no será necesario remover la veleta para el ensayo de fricción de cojinetes o guías. En tanto que la veleta no se halle en contacto con el suelo, por ejemplo, cuando se encuentre dentro de un revestimiento, no resulta afectada por las medidas de fricción. Se deberán efectuar ensayos con veleta únicamente en suelos cohesivos, inalterados o remoldeados. No se deben realizar en ningún suelo que permita el drenaje o que se dilate durante el período del ensayo, como en arenas o limos o en suelos en los cuales la veleta encuentre piedras que puedan influir en los resultados. Se recomienda no hacer ensayos de veleta con espaciamientos menores de 0.76 m entre ellos. Este espaciamiento se podrá variar cuando sea requerido con la autorización y responsabilidad del especialista a cargo. Periódicamente se deberán comprobar las dimensiones de la veleta para asegurarse que no esté desgastada ni distorsionada.
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5. C álculos en el Ensayo: Calcúlese la resistencia al corte del suelo mediante el empleo de la siguiente expresión:
S (resistencia al corte) = T/K
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Siendo: T = Momento de giro en N-m (lb-pie) S = Resistencia al corte de la arcilla en kPa (lb/pie²) K = Constante que depende de las dimensiones y de la forma de la veleta m3 (pies3) tal como se indica en las operaciones de la Tabla
o o o
Periódicamente deberán comprobarse las dimensiones de la veleta para asegurarse de que no esté desgastada ni distorsionada. Puesto que el valor de s es el requerido, es más útil escribir la ecuación en la siguiente forma:
S=Txk Donde: o
k = 1/K
o
Donde:
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-
D = diámetro de la veleta, en milímetros o pulgadas, según las unidades.
-
H = altura de la veleta, en milímetros o pulgadas, según las unidades.
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-
d = diámetro de la varilla, en milímetros o pulgadas, según las unidades.
6. Estructura del Informe para el Ensayo de Veleta en Campo: Debe incluir: o o o o o
o
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Fecha del Ensayo. Número del apique o perforación. Tamaño y forma de la veleta (ahusada o rectangular). Profundidad del extremo de la veleta. Profundidad del extremo de la veleta por debajo del revestimiento o fondo del Hueco. Lectura máxima del momento y, si se requieren, lecturas intermedias para el ensayo inalterado.
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o o o
Tiempo del ensayo hasta la falla. Velocidad del remoldeo. Lectura máxima del momento para el ensayo remoldeado, y notas sobre cualquier clase de desviaciones con respecto al procedimiento normal de ensayo.
Además, dentro del ámbito de la perforación se debe especificar las siguientes partes: o o o o o o o o o
III.
Número del sondeo. Sitio. Condiciones del suelo en el sitio. Cota de referencia. Método de ejecución de la perforación. Descripción de la veleta, esto es, si tiene camisa o no. Descripción del método para aplicar y medir el momento. Observaciones sobre la resistencia o la penetración. Nombres del inspector de la perforación y del ingeniero Supervisor.
ENSAYO DE CORTE POR VELETA EN MINIATURA DE LABORATORIO EN SUELOS FINOS ARCILLOS SATURADOS (ASTM D 4648) 1.
Antecedentes: La Prueba de Veleta es una contribución relativamente moderna al estudio de la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos. El aparato fue diseñado en el año 1940 por el investigador Lyman Carlson en el Instituto Geotécnico de Suecia; el cual consiste básicamente de un vástago desmontable en piezas, en cuyo extremo inferior está ligada la veleta propiamente dicha, generalmente de cuatro aspas ligadas a un eje, que es prolongación de vástago. Se aplica un torque en la parte superior del vástago para que la veleta gire con velocidad uniforme, hasta que el suelo falle. En 1948 Cadling y Odenstad desarrollaron una ecuación para establecer la relación entre la resistencia del suelo al esfuerzo cortante y la torsión aplicada por el vástago de la veleta. Inicialmente propusieron que la superficie de falla es un cilindro circular con un diámetro y una altura igual al del aspa de la veleta por lo tanto concluyeron que el torque máximo aplicado a la cabeza del vástago para generar dicha falla debe ser igual a la suma del momento resistente de
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la fuerza cortante a lo largo de la superficie lateral del cilindro del suelo (Ms) y el momento resistente de la fuerza cortante a lo largo de cada extremo (Me), es decir:
T = Ms + Me + Me El momento resistente Ms, se expresa como: Ms = (π DH) Su (D/2)
Donde: o o o
D = Diámetro de aspa de la veleta (cm.) H = Altura del aspa de la Veleta (cm.) Su = Resistencia al corte sin drenar (kg / cm2)
Para el cálculo de Me, los investigadores supusieron tres tipos de distribución de la movilización de la resistencia cortante en los extremos del cilindro del suelo: o
o
o
2.
Triangular: La movilización de la resistencia cortante es Cu en la periferia del cilindro de suelo y decrece linealmente a 0 en el centro. Uniforme: La movilización de la resistencia cortante es constante, es decir, Cu de la periferia al centro del cilindro de suelo. Parabólica: La movilización de la resistencia cortante es Cu en la periferia del Cilindro del Suelo y decrece parabólicamente a 0 en el centro.
Definición del Ensayo: La Prueba de Esfuerzo Cortante de Veleta Miniatura consiste en insertar una veleta de varias aspas en el extremo inferior de un tubo de muestra, girándolo a una velocidad constante para determinar la torsión requerida, que genere una superficie cilíndrica de corte. La torsión así se convierte en una unidad de resistencia al esfuerzo cortante del área de superficie cilíndrica. Esta torsión es medida por un resorte calibrado de torsión.
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Es importante destacar que para el equipo de veleta miniatura, la muestra que va ser ensayada debe estar constituida por suelos saturados blandos (∅ = 0), con una resistencia al esfuerzo cortante sin drenar inferior a 1Kg/cm2. La fatiga o falla de la veleta en arcillas más rígidas y suelos principalmente sedimentarios puede variar de la supuesta falla cilíndrica superficial causando por lo tanto un error en la prueba de la fuerza medida en muestra sin perturbar posiblemente con lentes finos de otros materiales que afectan el valor final. El ensayo se puede realizar en muestras remoldeadas o sin remoldear (no perturbadas). Es importante destacar que para muestras remoldeadas muy blandas los valores obtenidos pueden considerarse como valores de resistencia al corte no drenada “Su” residuales.
3.
Descripción del Equipo: El equipo consta de un vástago al cual está ligada la veleta, generalmente compuesta por cuatro aspas rectangulares según se puede observar:
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e recomienda que la altura de la veleta sea el doble del diámetro (2:1). Aunque veletas con una altura igual al diámetro (1:1) también se pueden usar si se quiere determinar por separado los esfuerzos horizontales de los esfuerzos verticales. El diámetro de la veleta puede variar desde 0,5” a 1” (12,7 a 25,4mm.) El equipo de veleta miniatura de laboratorio tiene un motor, el cual hace girar el resorte de torsión a una velocidad constante de 60 a 90° por minuto. Es importante destacar que la velocidad de rotación de la Mecánica de Suelos II
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veleta tiene dos efectos principales en las mediciones resultantes del esfuerzo cortante de la veleta. El primero es prevenir que ocurrirá drenaje para así poder medir el esfuerzo cortante sin drenar. El segundo se parece a un esfuerzo viscoso, mientras más rápidamente queda el suelo rebanado mayor es la fuerza cortante medida. El equipo consta de cuatro unidades de resortes de torsión de diferentes sensibilidades. El resorte N° 1 es el más sensible y se recomienda para obtener la resistencia al corte de suelos muy blandos, el resorte N° 2 es recomendado para suelos moderadamente muy firmes y es el menos utilizado.
4.
Calibración del Equipo: Se deben hacer calibraciones periódicas de las unidades de resortes de torsión para asegurarse que la operación del dispositivo de la veleta miniatura sea adecuada. La calibración se logra aplicando pesas calibradas a una rueda calibrada para producir una torsión conocida (brazo de palanca por peso). Se fija la unidad d esfuerzo cortante de tal modo que el resorte de la veleta (unidad de torsión) este en posición horizontal, posteriormente se inserta la rueda de calibración en el puesto del aspa de la veleta. La rueda, la cuerda y las pesas de calibración deben estar libres de cualquier obstrucción. Las dimensiones de las ruedas de calibración deben anotarse específicamente, especialmente la dimensión del brazo de palanca. Para cada resorte de torsión que se use en la veleta se debe aplicar una serie de pesas calibradas a la rueda de calibración, para desarrollar un diagrama de rotación del resorte (en grados) vs la tensión (kg-cm.). Se fija con cuidado cada pesa calibrada a la cuerda de calibración, se permite que se desvíe el resorte. Se registra la desviación del resorte (en grados) y se aplica la torsión por cada pesa aplicada.
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5.
Procedimientos: o
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Se fija bien la unidad de veleta de esfuerzo cortante, así como el contenedor del espécimen a una masa con un marco para evitar el movimiento durante el ensayo. Se inserta la veleta en la muestra a una profundidad mínima igual al doble de la altura del aspa de la veleta, para asegurarse que el extremo superior de la misma se encuentra hincado por lo menos a una altura razonable por debajo de la superficie de la muestra. Si para el ensayo se emplea dentro de la muestra una veleta muy larga (12”), entonces la adherencia entre el vást ago y el suelo debe evaluarse. La adherencia se evalúa insertando un vástago sin veleta con las mismas dimensiones del vástago de la veleta dentro del suelo hasta el nivel que se analiza, y anotando la torsión resultante contra la rotación. Esta medida de torsión se sustrae de los resultados del ensayo; para eliminar la corrección del vástago puede envolverse en una manga sin fricción para evitar que la adherencia ocurra.
Se toma la lectura inicial. Se sostiene la muestra firmemente para evitar que gire y se da inicio a la rotación mecánica de la veleta de manera que gire la
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parte superior del resorte a una velocidad constante de 60° -90° / min. o
o
o
o
o
o
6.
Se anota las lecturas de las deflexiones del resorte o de la torsión del transductor eléctrico por lo menos cada 5° de rotación hasta que la deflexión del resorte no se incremente más (se considera que ha ocurrido la falla) o hasta que se obtenga un máximo de 180° de rotación. Durante la rotación de la veleta se sostiene el aspa a una altura fija. Se anota las lecturas de torsión máxima o intermedia si se requiere. Se toma una muestra representativa del espécimen para determinar su contenido de humedad. Se inspecciona el suelo para ver si se han incluido arena o grava, o si existen grietas de superficie de falla, todo lo cual puede influenciar los resultados del ensayo. Anote los resultados de la inspección Después de obtener la torsión máxima, determina la fuerza de veleta remoldeada girando la veleta rápidamente por un mínimo de 5 a 10 revoluciones. La determinación de la fuerza remoldeada debe empezarse inmediatamente después de terminar la rotación rápida, o en su efecto dentro de un minuto después del remoldeo. Se repite el procedimiento anterior. Para el cálculo de la resistencia al corte sin drenar, se utiliza la ecuación de Calding.
Interferencias durante el Ensayo: En este caso la alteración producida por la veleta, donde: o
o
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Se asume que la zona remoldeada alrededor de las aspas de la veleta como consecuencia de la inserción del equipo en la muestra es pequeña y tiene un efecto insignificante en las propiedades esfuerzo - deformación del suelo ensayado. Se recomienda que la veleta desplace no más del 15% del suelo ensayado para evitar que este efecto se vuelva significativo.
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7.
Determinación de las Muestras para el Ensayo:
Para ello, se ha tenido en cuenta tres aspectos: o
Tamaño del espécimen: Diámetro suficiente para permitir un espacio libre de al menos dos diámetros de las aspas entre todos los puntos sobre la circunferencia de la superficie de corte y el extremo exterior de la muestra.
o
Resistencia inalterada: Preparar los alteraciones.
o
especímenes
cuidadosamente
para
evitar
Resistencia Remoldeada: En forma similar a los ensayos de campo con veleta.
8.
Estructura del Informe del Ensayo de Veleta en Laboratorio: Debe incluir: o o
o o
o
o o
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Fecha del ensayo, personal que realizó el ensayo. Número de sondeo, número de muestra o de tubo, profundidad de la muestra, profundidad de ejecución del ensayo de veleta, tipo de suelo. Tamaño y forma de la veleta, número de resorte o transductor. Curva de calibración o constantes del transductor y ajustes registrados. Máxima lectura de torque y lecturas intermedias si se requieren para la muestra inalterada. Gráficas de esfuerzo - deformación. Máxima lectura de torque para el ensayo en muestras remoldeadas y el número de revoluciones empleadas para remoldear.
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o
o o
IV.
Razón de rotación, razón de corte en las esquinas de las aspas de la veleta, tiempo de falla del ensayo (rotación máxima - razón de rotación), donde resulte aplicable. Tipo de veleta empleada (fabricante y modelo) Anotaciones referentes a cualquier desviación del procedimiento estándar.
DIFERENCIAS ENTRE LABORATORIO:
LOS
EQUIPOS
DE
VELETA
DE
CAMPO
Y
Estos dos equipos se basan principalmente en el mismo fundamento, que es obtener la resistencia al corte sin drenaje de muestras de suelos cohesivos y plásticos ( ∅ = 0), mediante la aplicación de un torque al vástago de una veleta para obtener una falla cilíndrica del suelo. La resistencia la corte, por lo tanto, se calcula bajo la ecuación diseñada por Calding para ambos equipos. Una de las diferencias fundamentales entre ambos equipos es que en las muestras ensayadas en el laboratorio con la veleta miniatura se puede asumir que los esfuerzos verticales sobre las tapas del cilindro que configura la superficie de falla son iguales a las horizontales, esto no ocurre en ensayos realizados en sitio en muestras no perturbadas, confinadas y sometidas en un mismo depósito a cargas geostáticas que aumentan con la profundidad. Otra diferencia que existe entre los dos ensayos es que para la prueba en sitio con la veleta de campo, la muestra se considera que está en su estado original, es decir, no ha sido alterada, en cambio para la prueba de veleta miniatura de laboratorio, se usan muestras remoldeadas y sin alterar aún.
V.
CONCLUSIONES: o
Del Ensayo de Veleta en Campo:
En este ensayo se mide directamente la resistencia al corte del suelo al rotar una veleta que se introdujo en el suelo.
Debe tenerse en cuenta que el ensayo no da valores exactos de la resistencia al corte no drenada y es necesario realizar el ensayo en la misma forma cada vez para poderlo correlacionar. Esto significa que debe utilizarse la misma rata de deformación (aproximadamente 0.1 grado por segundo) y la misma demora en la iniciación del ensayo (preferiblemente más de 5 minutos).
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o
Si el suelo contiene grava o partículas grandes puede dar resultados erráticos. Sowers y Royster (1978) indican que la resistencia al cortante medida en el ensayo de Veleta puede ser un 30% mayor que la medida por otros métodos.
Del Ensayo de Veleta en Miniatura en Laboratorio:
Es necesario conocer la naturaleza de los suelos en los cuales se va a efectuar el ensayo de veleta en laboratorio, a fin de poder estimar su aplicabilidad e interpretar los resultados del ensayo.
La veleta de laboratorio es una herramienta ideal para investigar la anisotropía de resistencias en la dirección vertical y horizontal, si es que se dispone de muestras (especímenes) adecuados.
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