Caracterización geotécnica del subsuelo en la zona del nuevo hospital de la Santa Creu i Sant Pau

V - Ensayos de laboratorio 32 Capítulo V ENSAYOS DE LABORATORIO 5.1 Procedencia de las muestras. Las muestras utilizadas para la realización de los ensayos se han extraído de acuerdo a la ubicación representada en el plano del anejo 1. Las muestras se componen de una matriz arcillosa del Cuaternario con nódulos de cornubianita perteneciente al Paleozoico. La matriz arcillosa se caracteriza por su color marrón rojizo y alta compacidad. Conocida localmente como fetge de vaca. Las cornubianitas (pizarras sensu lato) se caracterizan por su color grisáceo, esquistosidad no excesivamente marcada, bastante compacta y poco disgregable en lajas. El contexto de estas muestras puede verse en el corte geológico del anejo 1. En la tabla 5.1 se muestran las profundidades a las que se han obtenido las muestras bloque de las que se han extraído las probetas para la realización de los ensayos. UBICACIÓN MUESTRAS BLOQUE FECHA EXTRACCIÓN PROFUNDIDAD (metros) OBSERVACIONES M1 M1a – M1b – M1c 02/07/2001 8,0 M2 M2a – M2b 20/07/2001 4,5 M3 M3a – M3b – M3c – M3d 03/08/2001 7,5 M4 M4 07/09/2001 2,0 No ensayada Tabla 5.1: Profundidades de las muestras bloque extraídas para el estudio. 5.2 Análisis granulométrico. El análisis granulométrico es un ensayo que clasifica el suelo en función del tamaño de grano predominante en su composición. Se representa el resultado de este análisis mediante la llamada curva granulométrica, donde se refleja el tanto por ciento de cada intervalo de tamaños de grano que pasan por una serie de tamices establecida. V - Ensayos de laboratorio 33 La clasificación más extendida es la del Profesor Arthur Casagrande, de la Universidad de Harvard, propuesta inicialmente en 1942; desde entonces ésta ha sufrido algunas modificaciones. Esta clasificación ha sido la adoptada como Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (U.S.C.S.). Esta clasificación sólo hace referencia a las partículas de los suelos, sin tener en cuenta su estructura, compacidad, cementación, etc. Los suelos se designan por dos letras mayúsculas que reciben el nombre de prefijo y sufijo. Los prefijos indican el grupo principal a que pertenece el suelo y los sufijos las subdivisiones de este grupo. Para la obtención de la curva granulométrica que describe el suelo objeto de estudio se han utilizado los tamices de la norma A.S.T.M. (American Standard of Testing Materials). Se hace una primera división entre “suelos de grano fino” y “suelos de grano grueso”, según si por el tamiz nº 200 pasa más o menos del 50% en peso de partículas respectivamente. Los suelos de grano fino se clasifican según la posición que ocupan en el Gráfico de Plasticidad de Casagrande (figura 5.1 ). Los suelos de grano grueso se clasifican a partir del tamizado en grava (G) y arena (S), según si la mayor parte de la fracción gruesa queda retenida o pasa por el tamiz nº 4 de la serie ASTM. 5.2.1 Descripción del ensayo. El tamizado es el método más adecuado para clasificar por tamaños las partículas gruesas. Los tamices de la norma ASTM están numerados según una escala establecida (figura 5.2). Figura 5.1 : Gráfico de Plasticidad de Casagrande. (Jiménez Salas et al., 1975) V - Ensayos de laboratorio 34 Figura 5.2: Serie de tamices para análisis granulométrico (Norma A.S.T.M.). (Jiménez Salas et al., 1975) Este método se utiliza con aquellas partículas que quedan retenidas en el tamiz nº 200 (serie gruesa). En el apartado 5.2 se explica el método de sedimentación, que se utiliza con las partículas que pasan por el tamiz nº 200 (serie fina). De cada muestra bloque obtenida del solar donde se ubica el nuevo hospital de la Santa Creu i Sant Pau, se toma aproximadamente un kilogramo que se tritura con una maza de goma con el fin de separar cualquier agregado y no romper ningún nódulo existente. Una vez triturado el material se seca al aire durante aproximadamente un día y transcurrido este tiempo se vuelve a machacar para asegurar que queda bien disgregado. Este material se pesa en la báscula y se obtiene el peso de la muestra total seca en el aire (figura 5.3 - [A]). Se pasa todo este material por el tamiz nº 10 con lo que se hace una segunda distinción entre finos y gruesos dentro de la serie gruesa del suelo objeto de estudio. Se pesa el material retenido en el tamiz nº 10 obteniéndose el peso de los gruesos sin lavar (figura 5.3 - [B]). Este material retenido en el tamiz nº 10 se coloca en un cuenco de aluminio y se llena de agua hasta tener el material totalmente sumergido. De esta forma se separan las partículas finas adheridas a las partículas gruesas. Se mantiene así durante 24 horas aproximadamente. V - Ensayos de laboratorio 35 Del material que ha pasado por el tamiz nº 10, que son los finos, se cogen únicamente 100 gramos aproximadamente, se pesan y se obtiene el peso de la fracción fina ensayada seca en el aire (figura 5.3 - [G]). Este material, igual que se ha hecho con los gruesos, se coloca en un cuenco de aluminio y se llena de agua hasta quedar el suelo totalmente sumergido. Se deja reposar de este modo durante un día aproximadamente. Una vez gruesos y finos han reposado el tiempo indicado se procede al lavado de los mismos. Para el lavado de los gruesos se colocan superpuestos los tamices nº 10 y nº 200. Se tamiza el material bajo agua corriente hasta la eliminación de los granos finos agregados a las partículas gruesas. Se reserva el material retenido en el tamiz nº 10 en un cuenco de aluminio. El retenido en el tamiz nº 200 se bate durante un minuto para que se separe cualquier agregado. Una vez batido vuelve a tamizarse por el nº 200 y se lava para eliminar todo material arcilloso. Finalmente, se añade al material retenido en el tamiz nº 10. Para el lavado de los finos se pasa únicamente por el tamiz nº 200 y se lava igualmente. Se bate durante un minuto el material retenido y se vuelve a pasar por el tamiz nº 200 lavándolo hasta obtener el agua de lavado limpia de arcilla. Se coloca este material en un cuenco de aluminio. Ambos cuencos se colocan en el horno a 100 °C, durante 24 horas aproximadamente, para evaporar el agua incluida en las partículas. Una vez transcurrido este tiempo se tamizan gruesos y finos. Para ensayar los gruesos se coloca toda la serie de tamices mientras que para el ensayo de los finos únicamente es necesario colocar los tamices inferiores al tamiz nº10. Se anota el peso del material retenido en cada tamiz (figura 5.3). El análisis granulométrico nos proporciona datos que no son de aplicación inmediata a la resolución de los problemas prácticos. No es un ensayo cuantitativo del que se puedan deducir índices que expresen las propiedades mecánicas del suelo para determinar su comportamiento. Es un ensayo de identificación que permite obtener una descripción cualitativa del terreno. La forma de la curva granulométrica ayuda a la determinación del origen geológico del suelo. El análisis granulométrico ha de ser completado con otros ensayos para poder dar una completa descripción de las características del suelo. 5.3 Ensayo de sedimentación. Para el suelo de grano fino (aquél que en un primer tamizado pasa por el tamiz nº 200 de la norma A.S.T.M.) es preciso recurrir a otros procedimientos. V - Ensayos de laboratorio 36 Figura 5.3: Ficha para el análisis granulométrico por tamizado. El método comúnmente utilizado es el de sedimentación. Éste está basado en la ley de Stokes, según la cual la velocidad de caída de una esfera sumergida en un fluido es igual a: ( ) 2 18 s w D v γ γ η − = (5.1) donde: v = velocidad de caída de la esfera (cm/s en el sistema cm-p-s). s γ = peso específico del material de la esfera (p/cm 3 en el sistema cm-p-s). w γ = peso específico del agua (p/cm 3 en el sistema cm-p-s). D = diámetro de la esfera (cm en el sistema cm-p-s). η = coeficiente de viscosidad o viscosidad dinámica o absoluta del fluido (p*s/cm 2 en el sistema cm-p-s) = 9,22 * 10 -6 p*s/cm 2 . V - Ensayos de laboratorio 37 La preparación del suelo para la ejecución del ensayo de sedimentación consiste en secar el material al aire, machacarlo con una maza de goma y tamizarlo. Se pesan exactamente 50 gramos de material que pasa por el tamiz nº 200 y se deja reposar en agua destilada durante 24 horas aproximadamente. Una vez transcurrido este tiempo se mezclan en una probeta 125 centímetros cúbicos de dispersante en una concentración de 40 g/l con los 50 gramos de material y con agua destilada. Esta mezcla se bate durante un minuto exactamente en la batidora. Una vez batido se coloca en una probeta en posición vertical, se rellena ésta con agua destilada y se agita, evitando que se pierda material, justo hasta el momento en el que se inicia la medición. Esta probeta se coloca en un recipiente con agua a 25 °C. Se considera un punto situado a 10 centímetros de profundidad bajo la superficie y mediante una pipeta se toman muestras del material en cada uno de los tiempos preestablecidos por el método de ensayo (1min, 4min 2seg, 1h 4min 27seg, 6h 42min 48seg) y se colocan en botes de cristal tarado. Estas muestras obtenidas se secan en la estufa a 100 °C durante 24 horas aproximadamente y así se obtiene el peso de suelo. Se registran los pesos de cada bote secados en la estufa en la ficha del ensayo (figura 5.4). Figura 5.4: Ficha para el ensayo de sedimentación. El diámetro D de la partícula que tarda el tiempo t en caer desde la superficie a la profundidad z se puede hallar mediante la ley de Stokes (5.2) escrita del siguiente modo: V - Ensayos de laboratorio 38 ( ) 2 18 s w D z t γ γ η − = (5.2) es decir: 18 s w z D t η γ γ = ⋅ − (5.2) A la profundidad z no habrá partículas de diámetro mayor que D, ya que todas las partículas más gruesas habrán descendido en el tiempo t a una profundidad mayor que z. En cualquier elemento de volumen situado a la profundidad z la cantidad de partículas de diámetro menor que D no cambiará, pues las que hayan entrado por la cara superior del elemento igualarán a las que hayan salido por la inferior. Sea C zt la concentración a la profundidad z en el instante t. Si N es la relación entre el peso de las partículas menores que D y el peso de todas las partículas en la muestra original de suelo, se cumplirá: zt i C N C = (5.3) siendo C i la concentración inicial. Así pues, una determinación de la concentración a una profundidad z y en un instante t nos permitirá mediante (5.2) y (5.3), hallar D y N, y por tanto, obtener un punto de la curva granulométrica. 5.4 Ensayos de caracterización de los límites del suelo (Límites de Atterberg). Los límites de Atterberg se pueden definir como la separación arbitraria entre los estados que puede presentar un suelo y que son: sólido, semisólido, plástico y semilíquido o viscoso. Así se define: Límite de retracción : entre sólido y semisólido. Límite plástico : entre semisólido y plástico. Límite líquido : entre plástico y semilíquido o viscoso. Pertenecen junto al análisis granulométrico (apartado 5.1) al tipo de ensayos de identificación. El análisis granulométrico permite conocer el porcentaje de fracción fina presente en el suelo. Los límites de Atterberg, en cambio, indican cualitativamente el comportamiento de la fracción fina, completando así el conocimiento del suelo. V - Ensayos de laboratorio 39 Del material que pasa por el tamiz nº 10 se calculan los límites siguiendo el procedimiento detallado. Límite plástico . Se seca el material al aire durante un día y se machaca con una maza de goma para no romper los posibles nódulos que haya. Se tamiza el material machacado y se reserva para el ensayo aquella fracción de suelo que ha pasado por el tamiz nº 40. A continuación se coloca parte de este material sobre una baldosa y se añade agua poco a poco mezclando bien. Cuando el material presente un contenido de humedad algo superior al del límite plástico será posible formar fácilmente una bola con el suelo sin que resquebraje. Se reserva este material protegido de la humedad ambiental durante 24 horas para obtener una distribución uniforme y homogénea de su contenido de agua. Una vez transcurrido este tiempo se toman unos 8 gramos de este suelo, se forma con él una especie de elipsoide, y se rueda entre la palma de la mano y la superficie lisa de la baldosa para que no absorba mucha humedad, hasta llegar a un diámetro de 3 milímetros. Si al llegar a este diámetro no se ha cuarteado el cilindro de modo que quede dividido en trozos de unos 6 milímetros de longitud como media, se vuelve a formar el elipsoide y a rodar hasta llegar a este tipo de resquebrajamiento. Según la norma A.S.T.M. el suelo se encuentra en su límite plástico cuando se cuartee, y no importa que haya sido antes de llegar a los 3 milímetros de diámetro siempre y cuando antes se haya llegado como mínimo una vez sin resquebrajarse. El procedimiento se repite hasta reunir unos 10 gramos de suelo, se coloca en un bote de cristal tarado, se secan al horno a 100 ºC durante 24 horas y se determina su humedad. El proceso se repite 2 veces más y si la diferencia no es grande (10-15% aproximadamente) se halla la media de los tres ensayos y se da este valor como resultado. Los valores de los pesos se anotan en la ficha para el cálculo de los límites (figura 5.5). El límite plástico representa el punto en el cual el suelo empieza a perder su cohesión por falta de humedad, de modo que es muy sensible al operador por la apreciación del punto crítico. Límite líquido . El ensayo para la determinación del límite líquido de un suelo se encuentra regulado por la norma A.S.T.M. V - Ensayos de laboratorio 40 Se comienza amasando, con agua destilada, unos 100 gramos de suelo que pasen por el tamiz nº 40 de la A.S.T.M. Se añade la cantidad de agua necesaria para acercarse al límite líquido. La masa se coloca con una espátula en la cuchara de Casagrande (figura 5.6) de modo que ocupe sólo la parte inferior de ella. Se abre un surco con un acanalador (pueden verse dos modelos de acanalador en la figura 5.6), y se comienza a dar vueltas a la manivela, a razón de dos por segundo aproximadamente, con lo cual por medio de una excéntrica, se levanta la cuchara y se deja caer desde la altura de un centímetro. Se prosigue hasta que las paredes del surco se unan por su fondo en una longitud de unos 12 milímetros. Figura 5.5: Ficha para el cálculo de los límites de Atterberg. V - Ensayos de laboratorio 47 5.5.3 Ensayos habituales y resultados típicos. 5.5.3.a Ensayo de compresión Consolidado Drenado (CD) El objetivo de un ensayo CD es obtener los parámetros de deformación de corte para analizar los suelos sometidos a cargas a largo plazo. El módulo de deformación elástica en condiciones drenadas E’ también se puede obtener con este ensayo. Un ensayo CD se divide en dos etapas. En primer lugar se consolida el suelo aumentado la presión de la cámara y drenando hasta que se ha disipado el exceso de presión en los poros. En una segunda fase, se mantiene constante la presión de la cámara, y cargas o deformaciones axiales son impuestas muy lentamente hasta que se produce el colapso de la muestra. La aplicación de las cargas se hace muy lentamente permitiendo de esta forma la disipación de las presiones, y más aún si se tiene en cuenta que la permeabilidad de los suelos, en algunos casos, es muy baja. El drenaje del agua está permitido en las dos fases del ensayo. Las tensiones en un ensayo CD son: Etapa 1: Consolidación Isotrópica. Tensiones Principales: ∆σ 1 = ∆σ 3 = ∆σ ’ 1 = ∆σ ’ 3 ; ∆σ 1 >0 Presión: ∆ U = 0 Plano de Cambridge: ∆ p’= ∆ p= ∆σ 1 ; ∆ q = 0; ∆ q / ∆ p’ = 0 Etapa 2: Fase Desviadora. Tensiones Principales: ∆σ 1 = ∆σ ’ 1 >0; ∆σ 3 = ∆σ ’ 3 =0 Presión: ∆ U = 0 Plano de Cambridge: ∆ p’= ∆ p= ∆σ ’ 1 /3; ∆ q= ∆σ 1 ; ( ∆ q/ ∆ p’)=( ∆ q/ ∆ p)=3 Las tensiones y las trayectorias de tensiones se pueden observar en la figura 5.12. Figura 5.12: Trayectoria de tensiones en ensayo CD. (Wood, D, 1990) V - Ensayos de laboratorio 48 Como el ensayo CD es drenado en todas sus fases, un solo ensayo puede durar algunos días si la permeabilidad del suelo es baja. 5.5.3.b Ensayo de compresión Consolidado No Drenado (CU) El procedimiento del ensayo no drenado es similar al CD exceptuando la fase posterior a la isotrópica, el incremento del desviador se realiza en condiciones no drenadas y se mide el exceso de presión. Las tensiones aplicadas siguen una formulación como la que sigue: Etapa 1: Consolidación Isotrópica. Tensiones Principales: ∆σ 1 = ∆σ 3 = ∆σ ’ 1 = ∆σ ’ 3 ; ∆σ 1 >0 Presión: ∆ U = 0 Plano de Cambridge: ∆ p’= ∆ p= ∆σ 1 ; ∆ q=0; ( ∆ q/ ∆ p’)=( ∆ q/ ∆ p)=0 Etapa 2: Fase Desviadora. Tensiones Principales: ∆σ 1 >0; ∆σ 3 =0; ∆σ ’ 1 = ∆σ 1 - ∆ u; ∆σ ’ 3 =- ∆ u Plano de Cambridge: ∆ p= ∆σ ’ 1 /3; ∆ q= ∆σ 1 ; ∆ q/ ∆ p=3; ∆ p’= ∆ p- ∆ u=( ∆σ 1 /3)- ∆ u Mientras que la trayectoria de tensiones totales está determinada, las tensiones efectivas sólo se pueden hallar si medimos la presión de agua. Las trayectorias de las tensiones están ilustradas en la figura 5.13. Figura 5.13: Trayectoria de tensiones en ensayo CU. (Wood, D, 1990) 5.5.4 Metodología del ensayo. En el siguiente apartado se describen los pasos seguidos para la obtención de los datos experimentales ligados al presente trabajo de investigación. Los diferentes V - Ensayos de laboratorio 49 ensayos se han realizado en el Laboratorio de Geotecnia del Departamento de Ingeniería del Terreno de la Escuela Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona. 5.5.4.a Descripción del suelo utilizado. El suelo utilizado para la realización del ensayo triaxial ha sido extraído del solar en el que se ubican las nuevas instalaciones del Hospital de la Santa Creu i Sant Pau. Se han tallado las probetas de las muestras de suelo extraídas del solar de la zona de estudio, obteniendo tres probetas por cada muestra para su ensayo en el aparato triaxial más una de cada muestra para ensayarla en el aparato triaxial de columna resonante. De este modo se han podido correlacionar los parámetros obtenidos en los diferentes ensayos. Utilizando un único suelo se ha conseguido que todas las probetas tengan las mismas características de manera que las comparaciones entre resultados obtenidos cumplen la metodología aceptada como científica. El suelo utilizado es el típico del llano de Barcelona, arcillas cuaternarias con nódulos de pizarra y se ha ensayado intentado que las tensiones a las que se le ha sometido en los ensayos fuesen a las que se veía sometido “in situ”. 5.5.4.b Descripción del ensayo. Se tallan las probetas con las medidas estándar de 38 milímetros de diámetro por 76 milímetros de altura (figura 5.14: instante durante el proceso de tallado de la probeta en el torno manual) y se envuelven en una membrana de látex, de este modo se aísla el suelo del agua que se encuentra en la cámara y que da presión a la probeta, evitando así filtraciones no deseadas. Antes de colocar la membrana de látex a la probeta, se pesa ésta de modo que podamos conocer su densidad natural, que con la humedad calculada del suelo sobrante al tallarla se podrán calcular todas las propiedades básicas del suelo, tales como índice de poros, porosidad, grado de saturación, etc. Sobre la superficie superior e inferior de la probeta se colocan sendas piedras porosas saturadas previamente y que vendrán sujetas por la misma membrana de látex. Se colocan también unas juntas tóricas por encima y debajo de la muestra que presionan la membrana contra las bases del aparato donde se coloca la muestra (figura 5.16). De este modo se cierra herméticamente el interior de la muestra respecto de la cámara. Sobre la membrana que envuelve la muestra se coloca una segunda membrana sujetada también mediante otras juntas tóricas y de este modo se evita la rotura de la primera por la presencia de algún nódulo en el suelo. Puede verse en la figura 5.15 un detalle de la probeta, ya colocada en el aparato, con las membranas de látex. V - Ensayos de laboratorio 50 Figura 5.14: Tallado de la probeta en el torno manual. Figura 5.15: Detalle de la probeta con las membranas en el aparato triaxial. En la figura 5.16 se observa un detalle de la probeta colocada en el aparato triaxial con las membranas, las juntas tóricas y el cabezal que se coloca en la parte superior de la probeta. Previamente a la colocación de la muestra se llenan los pistones autónomos al aparato triaxial que controlan la presión de cola y de cámara (GDS). Así mismo se realiza esta operación con el cabezal que se ubica en la parte superior de la muestra para asegurar que no se encuentra embozado. En la figura 5.17 puede observarse la muestra colocada en el aparato triaxial y una visión global de éste. El aparato triaxial se encuentra conectado a un PC desde donde se le dan las órdenes para su funcionamiento y en el que se registran los datos de forma automática. El programa que controla el ensayo triaxial se ejecuta en un entorno HTBASIC. Una vez colocada la muestra en el aparato, antes de poner la cámara de confinamiento, se ejecuta el programa en el PC. Deben hacerse una serie de instrucciones iniciales antes de empezar el ensayo triaxial donde se indican las dimensiones de la probeta, valores que limitan el movimiento de la prensa, se posiciona la prensa de modo que quede separada de su tope inferior, etc. Indicados estos valores se coloca la cámara, se aprietan los tornillos de sujeción y se llena la cámara de agua. En la figura 5.18 se muestra un detalle de la cámara de presión colocada y lista para proceder a su llenado. Finalmente se sube el pistón hasta que la muestra toque la célula de carga. Esta operación se hace visualmente, con ayuda del PC, hasta que estamos cerca de la célula. El contacto será efectivo cuando la célula detecte un incremento de tensión significativo, reflejado en los valores que aparecen por pantalla y que depende de la V - Ensayos de laboratorio 51 sensibilidad de la célula de carga. Un incremento comprendido entre 0.005 kN y 0.01 kN debe ser suficiente para este caso. Figura 5.16: Detalle de la probeta con las membranas, Figura 5.17: Visión general del aparato triaxial las gomas tóricas y el cabezal colocada en el aparato triaxial. con una probeta colocada. El siguiente paso es dar una presión de confinamiento y así impedir que ésta rompa con el simple contacto de la célula de carga. En este ensayo, y para todas las muestras ensayadas se ha dado una presión de cámara de 50 kPa y un valor de la presión de cola de 30 kPa (estos valores también se introducen en el GDS manualmente). Figura 5.18: Detalle de la cámara de presión en el aparato triaxial. V - Ensayos de laboratorio 52 También se hace un control de la carga vertical para asegurar el contacto entre la célula de carga y la muestra, de manera que no haya oscilaciones exageradas en las lecturas que salen por pantalla. En este caso la carga aplicada es de 0.005 kN. A partir de aquí empieza la etapa de saturación y con ésta empieza el ensayo propiamente dicho. Para saturar la muestra se crea un flujo. Se impone una presión (30 kPa) en el GDS que controla la presión de cola y se deja abierta la válvula que conecta el transductor de presiones con la atmósfera. Cuando por este extremo salga exclusivamente agua, sin ninguna burbuja de aire, se considera que la muestra está saturada. Pueden quedar restos de aire en el interior de la muestra, pero se van a disolver al aumentar la presión de todo el conjunto. El suelo utilizado en los ensayos es un material arcilloso. La saturación en materiales poco permeables o muy poco permeables (materiales arcillosos o limosos) es un proceso lento, que requiere mucho tiempo, función de las dimensiones de la probeta y de su permeabilidad. Para disminuir el tiempo de ensayo se emplean dos soluciones que se exponen a continuación: 1. Antes de colocar las membranas que aíslan la muestra del agua contenida en la cámara, se envuelve el perímetro vertical de la probeta con papel de filtro. De este modo se asegura un drenaje no sólo en sus dos extremos sino también alrededor de todo su contorno. Además se consigue un efecto positivo: la distancia de consolidación será el diámetro y no la altura de la muestra, con lo que las presiones intersticiales necesitarán menos tiempo para llegar a un estado estacionario y homogéneo en el interior de la muestra. 2. Realizar saturación y confinamiento simultáneamente. Los ensayos realizados no se han mejorado con ninguna de las técnicas expuestas; la saturación de las muestras ha sido relativamente rápida. Una vez terminada la fase de saturación de la muestra se determina el parámetro B de Skempton y se conoce así el grado de saturación en el que se encuentra. Este parámetro es igual a 1 si la muestra se encuentra totalmente saturada y disminuye a medida que lo hace el grado de saturación. Los valores obtenidos del parámetro B de Skempton para las diferentes muestras ensayadas se muestran en la tabla 5.3. M2a1ª M2a2ª M2a3ª M3c1ª M3c2ª B 0,76 0,83 0,93 0,96 0,85 Tabla 5.3: Valores B de Skempton para las muestras ensayadas en el ensayo triaxial. Una vez saturada la muestra se pasa a la siguiente fase que es la consolidación . La muestra se confina isotrópicamente antes de llegar a la fase de aplicación del desviador y con ésto alcanzar la rotura de la misma. Confinar isotrópicamente es dar una trayectoria de tensiones horizontal en el espacio p-q. Para la consolidación de la muestra existen dos opciones: V - Ensayos de laboratorio 53 1. Con drenaje: crear una rampa en el pistón que controla la presión de cámara (aumentar uniformemente la presión aplicada) y no tocar el pistón asociado a la presión de cola. Durante este proceso se abre la válvula de la presión de poros y se deja salir el agua. Opción utilizada en este estudio. 2. Sin drenaje: subir la presión de cámara sin permitir el drenaje y después abrir el drenaje y permitir la disipación de la presión de poros. Antes de empezar el proceso de la consolidación deben crearse rampas paralelas en los GDS, de forma que la presión de cámara y la presión de cola aumenten paralelamente. Mediante este proceso se consiguen las presiones a las que se iniciará la fase de consolidación. Este proceso se denomina rampa de presiones . La rampa de presiones empieza en todas las muestras ensayadas a 50 kPa para la presión de cámara y a 30 kPa para la presión de cola y se lleva cada una de ellas a la presión inicial correspondiente al proceso de consolidación. En este proceso, como se explica en párrafos anteriores, se procede a aumentar la presión de cámara hasta el valor correspondiente al inicio de la rotura para cada muestra y la presión de cola se mantiene constante. La consolidación se ha llevado a cabo en todas las muestras durante un periodo de 24 horas. Las tensiones totales y la presión de cola aplicadas a cada una de las muestras en el proceso de consolidación isótropa se registran en la tabla 5.4. M2a1ª M2a2ª M2a3ª M3c1ª M3c2ª u w (kPa) 300 400 500 500 400 (σ σσ σ 3 ) inicial (kPa) 320 420 520 520 420 (σ σσ σ 3 ) final (kPa) 400 700 900 900 700 Tabla 5.4: Tensiones totales y presión de cola aplicadas a las diferentes muestras ensayadas. Una vez finalizada la consolidación se procede a realizar la rotura de la muestra. Para la programación de esta última fase se requiere una serie de informaciones referentes a la rotura de la probeta. Es necesario indicar: la velocidad de deformación (mm/h), el rango de deformación, la presión de cámara a la que se realizará la rotura y el tipo de ensayo (drenado o no drenado). Esta última fase se ha llevado a cabo en un periodo de 2 a 3 horas en las muestras ensayadas. La presión de cámara y la presión de cola aplicadas en esta fase, expresadas en kPa, se muestran a continuación en la tabla 5.5. M2a1ª M2a2ª M2a3ª M3c1ª M3c2ª u w (kPa) 300 400 500 500 400 (σ σσ σ 3 ) inicial (kPa) 400 700 900 900 700 Tabla 5.5: Presión de cámara y presión de cola aplicadas en la fase de rotura a las diferentes muestras. Finalmente, para dar por concluido el experimento quedan por hacer una serie de operaciones que deben realizarse con el drenaje de la muestra cerrado para que ésta no pierda agua. Se detallan a continuación las diferentes operaciones a realizar. V - Ensayos de laboratorio 54 - Bajar la presión de cámara a 0 kPa a través del panel de control del GDS. - Bajar la presión de cola a 0 kPa directamente a través del panel de control del GDS. - Vaciar la cámara conectando una bomba de aire a la cámara. - Sacar la cámara. - Retirar el cabezal superior. - Sacar la muestra y quitarle las juntas tóricas, las piedras porosas y las membranas de látex. En la figura 5.19 se muestra el aparato triaxial desmontado listo para la extracción de la probeta ensayada y en la figura 5.20 un detalle de la misma muestra una vez el ensayo ha finalizado donde puede observarse la rotura que se ha producido en ésta. Figura 5.19: Aparato triaxial desmontado Figura 5.20: Detalle de la probeta una vez ha finalizado el una vez ha finalizado el ensayo y la probeta rota. ensayo donde pueden observarse las líneas de rotura. Una vez se han hecho los pasos anteriormente especificados se debe pesar la probeta extraída del aparato, se seca en un horno a 100 ° C durante 24 horas y se obtiene así la humedad final del ensayo con lo que se determinarán las propiedades básicas del suelo en el estado final del ensayo. 5.5.5 Modelo Elasto-plástico Cam-Clay. 5.1.5.1 Introducción. En este capítulo se desarrolla el modelo elasto-plástico que se usa para predecir la respuesta del suelo en el ensayo triaxial. (Wood, D, 1990) V - Ensayos de laboratorio 55 Cuando el modelo fue descrito inicialmente por Roscoe y Burland (1968) se denominó Cam Clay modificado para distinguirlo del planteamiento inicial de Roscoe y Schofield (1963). Este modelo es el usado mayoritariamente en predicciones numéricas. Para describir el modelo se usan tensiones efectivas p’ y q (plano de Cambridge), que son las más relevantes para describir el comportamiento del suelo en el ensayo triaxial. 5.5.5.2 Justificación del modelo. Las superficies de fluencia obtenidas por el modelo no tienen gran similitud con los resultados obtenidos en ensayos reales de muestras. Aún y así existen varias razones para adoptar este modelo: la gran simplicidad del modelo permite describir la forma de la superficie de fluencia con sólo un parámetro, también se debe considerar que las experimentaciones realizadas en laboratorio se hacen con muestras que nunca se pueden considerar totalmente inalteradas. Por lo tanto, se puede afirmar que las condiciones reproducidas en el laboratorio no se asemejan demasiado a la realidad. En definitiva, las superficies de fluencia obtenidas gracias a los ensayos de laboratorio no se ajustan totalmente a las reales. En el análisis del comportamiento de arcillas es donde este modelo obtiene mejores resultados, y muchos de los fenómenos observados son extrapolables también a suelos no arcillosos. 5.5.5.3 Parámetros básicos y fundamentos del modelo. Línea de consolidación noval (iso-ncl): línea en el plano p’-v, describe las trayectorias en procesos de carga durante consolidación noval. Línea de carga – descarga (url): describe trayectorias en procesos de carga y descarga siempre que no se supere la p’ o actual. Índice de compresión ( λ ): es la pendiente de la línea de consolidación noval (iso-ncl) en la representación gráfica del logaritmo de la tensión principal frente al volumen específico. Índice de carga/descarga (k): es la pendiente de las líneas de carga/descarga (url) en una representación de la deformación volumétrica frente al logaritmo de la tensión principal. Constante friccional del estado crítico (M): pendiente de la recta de estados críticos (csl) en el plano p’-q. La representación gráfica utilizada en el modelo es la del Plano de Cambridge, las trayectorias que se describirán serán a partir de q y p’. Esto significa que V - Ensayos de laboratorio 56 es necesario conocer las tensiones principales, cuya determinación en el ensayo triaxial es inmediata como se ha visto en los apartados 5.5.3.a y 5.5.3.b. Las características que describen un modelo elasto – plástico son: 1. Propiedades elásticas. 2. Superficie de fluencia. 3. Potencial plástico. 4. Ley de rigidización. Figura 5.21: Parámetros y notación. (a) Plano de Cambridge. (b) Plano Ln p’ vs V. (Wood, D, 1990) 5.5.5.4 Superficie de fluencia. La superficie de fluencia ( yl en la figura 5.21) separa, en el plano de tensiones, los estados tensionales que producen deformaciones elásticas de los que provocan respuestas plásticas. Una de las formas más simples para la superficie de fluencia es una elipse. El tamaño inicial del eje mayor está determinado por la presión de preconsolidación (p’ o ). Vamos a considerar la superficie de fluencia para compresión, pero la idea es la misma para extensión. Teniendo en cuenta que en extensión el eje menor es más pequeño que en compresión. Todas las trayectorias de tensiones que discurren dentro de la superficie provocan únicamente deformaciones elásticas, por ejemplo punto A en la gráfica (a) de la figura 5.22. Si la trayectoria toca y arrastra la superficie de fluencia la respuesta es elasto-plástica, BC en la figura 5.22a. Una forma de escribir la ecuación que describe la elipse en la gráfica es: 2 2 2 0 p M p M η ′= ′ + (5.14) V - Ensayos de laboratorio 63 Figura 5.26: Ensayo fuertemente sobreconsolidado. (a) Plano de Cambridge, (b) v-p’ plano de compresión, (c) tensión-deformación de corte, (d) volumen-deformación de corte. (Wood, D, 1990) 5.5.5.7 Predicciones de Cam Clay en CU. 5.5.5.7.a Conceptos previos. En el modelo elasto-plástico de suelos, en el caso no drenado, se tienen que combinar las deformaciones elásticas y plásticas de tal forma que la suma de las dos de cero. El incremento de la deformación elástica volumétrica es: (5.31) y la deformación plástica volumétrica es: (5.32) y la condición para que las dos deformaciones se anulen es: (5.33) o escrito de otra forma: (5.34) Las relaciones anteriores nos llevan a una relación entre la tensión efectiva p’ y los cambios del tamaño de la superficie de fluencia, que están controlados por p’o. La geometría de la superficie de fluencia proporciona una relación entre los cambios de p’ (ó q), que causan la fluencia, y los cambios en p’o, tal como se indicó en 5.15. Así se tiene una relación entre los cambios de p’ y η que nos llevan a un volumen constante en la deformación del suelo. De 5.15 y 5.34 se obtiene: (5.35) V - Ensayos de laboratorio 64 Integrando la expresión anterior se obtiene: (5.36) donde: (5.37) y p’i y η definen un estado inicial de tensiones efectivas. Las expresiones anteriores describen la trayectoria de tensiones en el plano de Cambridge, permitiendo obtener tanto las deformaciones plásticas como elásticas. 5.5.5.7.b Trayectoria de tensiones efectivas elásticas. Si la tensión efectiva evoluciona en el interior de la superficie de fluencia, no existe la posibilidad de deformación volumétrica plástica, y la única forma en que se pueda satisfacer la ecuación 5.33 es que la deformación elástica sea también cero, lo que implica que la tensión efectiva permanece constante. Consecuentemente, para cualquier muestra de suelo que es sometida a un ensayo no drenado, la trayectoria de tensiones efectiva permanece constante (p’ = cte.) hasta que se alcanza la fluencia (AB en la figura 5.27) y entonces la trayectoria de tensiones efectivas elasto-plástica se puede obtener a través de la ecuación 5.36 (BC en la figura 5.27). Figura 5.27: Trayectoria típica en ensayo no drenado. (Wood, D, 1990) Figura 5.28: Ensayo triaxial no drenado. (a) ligeramente sobreconsolidado, (b) fuertemente sobreconsolidado. (Wood, D., 1990) 5.5.5.7.c Trayectoria de tensiones efectivas elasto-plásticas. η ηη η <M Está claro de 5.34 que los cambios en p’ y p’o deben ser siempre opuestos en signo. El signo de δp’o está relacionado con el signo del incremento de deformación plástica, el que a sí mismo está relacionado con la pendiente de la superficie de fluencia V - Ensayos de laboratorio 65 (ó estrictamente el potencial plástico) en el actual estado de tensiones. Si el suelo está en un estado donde η<M (punto A de la figura 5.29, entonces la fluencia tiene lugar con un incremento del vector de deformación plástica dirigido hacia la derecha, lo que implica una compresión volumétrica plástica. El suelo quiere rigidizarse plásticamente, y la actual superficie de fluencia se incrementa en tamaño, δp’o>0. La tensión principal efectiva decrece δp’<0 ya que la expansión elástica compensa la compresión plástica (puntos A, B de la figura 5.29). η ηη η >M Si el incremento de deformación está ocurriendo con η>M (Q, R en la figura 5.29), la fluencia tiene lugar con un incremento del vector plástico hacia la izquierda, provocando de esta forma expansión volumétrica. El suelo quiere ahora disminuir su plasticidad, y la actual superficie de fluencia decrece con δp’o<0. La tensión efectiva aumenta δp’>0, ya que la compresión elástica debe compensar la expansión plástica. η ηη η =M Si el incremento de deformación está ocurriendo en el punto más alto de la superficie de fluencia -potencial plásticocon η=M (punto G en la figura 5.29, entonces la fluencia tiene lugar con un incremento del vector plástico con dirección paralela al eje del desviador, lo que implica deformación plástica nula δεpp=0. La deformación ahora continúa indefinidamente sin cambio en el tamaño de la superficie de fluencia δp’o=0, según 5.34, y sin cambio en la tensión principal δp’=0. Este caso particular η=M muestra un límite de la trayectoria de tensiones efectivas, aunque podamos llegar a esta situación por distintos caminos. Figura 5.29: Incrementos bajo volumen constante. (a) Plano de Cambridge, (b) plano de deformación volumétrica. (Wood, D, 1990) 5.5.5.7.d Cálculo de la presión de poros. Si se compara la respuesta del suelo en el caso drenado y el no drenado, se puede ver que el cambio de volumen en el caso drenado se traduce en un cambio en la presión intersticial en el caso no drenado. V - Ensayos de laboratorio 66 La predicción de la trayectoria de tensiones efectivas, seguido por una muestra en un ensayo no drenado, no requiere el conocimiento de las tensiones totales impuestas. La misma trayectoria de tensiones efectivas es seguida en diferentes trayectorias de tensiones totales, la única diferencia que se puede observar en diferentes ensayos es la presión intersticial que se desarrolla. Si un incremento de la tensión efectiva indica un cambio en la tensión principal efectiva δp’, y el correspondiente incremento de las tensiones totales indica un cambio en la tensión principal total δp, entonces el cambio en la presión intersticial es: (5.38) De la relación existente entre los cambios de presión con los cambios de tensión total, a través del parámetro a: (5.39) La comparación de las dos fórmulas anteriores nos dice que el parámetro a indica la actual pendiente de la trayectoria de tensiones efectivas: (5.40) En el ensayo triaxial convencional, en los tests de compresión realizados a una presión constante de cámara, la trayectoria de tensiones totales viene dada por: (5.41) Presión de poros (elástica). Si el suelo se deforma elásticamente, con el estado de tensiones evolucionando dentro de la actual superficie de fluencia, entonces: (5.42) y (5.43) Esto implica que el parámetro a es cero en el proceso elástico. Presión de poros (elasto-plástica). Si el suelo se está deformando plásticamente, entonces el valor de a se puede deducir a través de 5.35. (5.44) La expresión resultante para el parámetro a es: V - Ensayos de laboratorio 67 (5.45) 5.5.5.7.e Muestra normalmente consolidada. Un ensayo no drenado con una muestra normalmente consolidada inicialmente, es mostrado en la figura 5.30. Como que la trayectoria del ensayo es una línea recta, en el plano de deformación volumétrica, el proceso se puede seguir con facilidad gráficamente, como se puede ver en la figura 5.30(b). Únicamente, cabe destacar la magnitud de la deformación volumétrica plástica, que se puede calcular a partir de la separación de las diferentes líneas de carga-descarga en cada iteración (δνp): (5.46) y por tanto, se puede determinar la magnitud de la deformación plástica de corte. Añadiendo las ecuaciones clásicas de las deformaciones elásticas, se puede representar la relación deformación-tensión de corte (ver figura 5.30(c)). La presión de poros en cada una de las etapas se puede deducir como la separación horizontal entre la tensión total y la efectiva en el plano de Cambridge (figura 5.30(a)) y ésta se puede representar junto a la evolución de las tensiones de corte, tal como se puede observar en la figura 5.30(c). En esta gráfica se puede comparar el incremento de la presión de poros en un ensayo de una muestra normalmente consolidada. La presión de poros ha sido separada en dos partes, una debido al cambio de presiones totales, sobre la cual el suelo no tiene influencia, y otra debido al cambio de volumen suprimido del suelo. Como se ha dicho anteriormente, el ensayo no puede evolucionar más lejos de la relación de tensión η=M, y los valores del desviador q y de la tensión efectiva principal p’ imponen unas asíntotas: en la figura 5.30(b) se puede ver la curva de la deformación y en la figura 5.30(d) la curva de las presiones intersticiales. Figura 5.30. Ensayo normalmente consolidado. (a) Plano de Cambridge, (b) Plano de deformación volumétrica, (c) Deformación de corte, (d) Presión. (Wood, D, 1990) V - Ensayos de laboratorio 68 5.5.5.7.f Muestra ligeramente sobreconsolidada. Una ensayo triaxial en condiciones ligeramente sobreconsolidadas es muy similar al anterior, como se representa en la figura 5.31, exceptuando en que tenemos inicialmente una fase elástica AB en la que la tensión efectiva permanece constante p’ hasta que la tensión alcanza el valor de fluencia B. Una deducción gráfica del proceso es: - el ensayo está restringido a seguir una deformación v constante en el plano de compresión, - la deformación no puede escapar de su línea inicial de carga-descarga urlB hasta que la deformación plástica aparece, - las deformaciones plásticas sólo pueden ocurrir si la tensión efectiva permanece en la actual superficie de fluencia. Así la trayectoria del ensayo permanece en la intersección de la inicial línea de carga-descarga y la línea de volumen constante. En otras palabras. se deben mantener los valores iniciales de p’ hasta que el valor del desviador q es lo suficientemente grande como para dar el estado de tensiones correspondiente a la superficie de fluencia y permitir que las deformaciones plásticas ocurran. El estado elástico AB -figura 5.31(a)- está asociado sólo con las deformaciones de corte –figura 5.31(c)- y con los cambios de presión intersticial y con los cambios de presiones totales –figura 5.31(d)-. Cuando la fluencia comienza en B aparecen deformaciones de corte plásticas y hay una inflexión en las curvas –figura 5.31(a)-. También, cuando empieza la fluencia, la trayectoria de tensiones efectivas tiende a ir hacia la izquierda δp’<0, y hay en general una relación con la presión de poros –figura 5.31(d)-. Figura 5.31: Ensayo ligeramente sobreconsolidado. (a)Plano de Cambridge, (b) Plano de deformación volumétrica, (c) deformación de corte, (d) presión. (Wood, D, 1990) V - Ensayos de laboratorio 69 5.5.5.7.g Caso muy sobreconsolidado. En un ensayo con una muestra sometida a condiciones iniciales muy sobreconsolidadas como se representa en la figura 5.32, la primera fase de carga es puramente elástica PQ sin cambios en la tensión efectiva principal (δp’=0) hasta que la superficie de fluencia es alcanzada (Q en la figura 5.32). La deformación de corte es puramente elástica (ver la figura 5.32(c)). Y la presión de poros es igual a los cambios de la tensión principal total (figura 5.32(d)). La fluencia con η>M, está asociada a una disminución del tamaño de la superficie de fluencia (figura 5.32(a)) y con incrementos de la tensión efectiva. En el plano de compresión (figura 5.32(b)), la trayectoria se mueve a través de diferentes líneas de carga y descarga a medida que la deformación plástica sucede. La gráfica de deformación de corte (figura 5.32(c)) se puede deducir como anteriormente. La presión de poros (figura 5.32(d)) se reduce respecto a su máximo valor, alcanzado en el punto Q, y puede resultar negativa cuando se alcanza el final del ensayo con η=M. Figura 5.32: Ensayo fuertemente sobreconsolidado. (a) Plano de Cambridge, (b) Plano de deformación volumétrica, (c) deformación de corte, (d) presión. (Wood, D, 1990) 5.5.5.8 Comparaciones con casos reales. Datos experimentales de ensayos de compresión triaxial convencionales en suelos fuertemente sobreconsolidados y normalmente consolidados, se muestran en las V - Ensayos de laboratorio 70 figuras 5.33 y 5.34 tomadas de Bishop y Henkel (1957). Estos se pueden comparar con las predicciones del modelo de Cam Clay. Las respuestas del modelo y los de las observaciones son similares. Lo más destacable es el cambio de la presión intersticial en ensayos normalmente consolidados –figura 5.33- y el incremento de presión seguido de una disminución en suelos fuertemente sobreconsolidados –figura 5.34-. Las características predichas por el modelo se ajustan a los ensayos obtenidos en la realidad. Figura 5.33: Ensayo triaxial no drenado en suelo normalmente consolidado. Weald clay. (a) desviador – deformación de corte, (b) presión – deformación de corte. (Wood, D, 1990) Figura 5.34: Ensayo triaxial no drenado en suelo fuertemente consolidado. Weald, clay. (a) desviadordeformación de corte, (b) presión – deformación de corte. (Wood, D, 1990) 5.5.5.9 Modelos de estado crítico. El concepto fundamental en el modelo de estado crítico es que existe una única superficie de rotura en el espacio (q, p’, v), que define la rotura del suelo independientemente de la trayectoria de tensiones seguida. Con el Modelo Cam Clay ya somos capaces de predecir la respuesta del suelo en cuanto a deformaciones y presiones. Se puede observar que se tiende a una condición última en la que el suelo se deforma indefinidamente sin cambios en el volumen o en el estado tensional. Este estado de plasticidad perfecta se conoce como estado crítico, que se puede expresar como: (5.47) Este estado crítico se puede expresar como una relación entre tensiones efectivas: V - Ensayos de laboratorio 71 (5.48) Esta relación define una recta que pasa por el origen de coordenadas y por el punto más alto de la superficie de fluencia. Esta línea es conocida como línea de estados críticos (csl). El tamaño de la elipse es controlado por p’o, y en el punto más alto de la superficie de fluencia se tiene: (5.49) Con una tensión principal p’ = p’cs se tiene un volumen específico de: (5.50) Figura 5.35: Los puntos X, Y están en el interior de la actual superficie de fluencia y no son puntos de estado crítico. (Wood, D, 1990) En el plano p’ – v todos los puntos de estado crítico definen una línea que se puede expresar como: (5.51) donde: (5.52) Esta línea es paralela a la línea de carga isótropa en el plano p’ – v, como puede observarse en la figura 5.36, y define los puntos cuyas combinaciones de p’ y v corresponden a un estado tensional en el que las deformaciones plásticas ocurren con η=M. La constante Γ es el volumen específico que corresponde a p’cs = 1kPa. Las combinaciones de p’, q que satisfacen 5.48 y 5.51 son estados críticos. Figura 5.36: Línea de estados críticos (csl) e intersección de la superficie de fluencia con la línea de estados críticos. (Wood, D, 1990) V - Ensayos de laboratorio 72 Si se expresa p’, q y v en unos ejes tridimensionales y ortogonales como se ha representado en la figura 5.37, puede observarse que la línea de estado crítico es única. Sólo estados tensionales que estén contenidos en esta línea son estados críticos. Figura 5.37: Vista tridimensional de los planos de deformación volumétrica y del Plano de Cambridge. (Wood, D, 1990) V - Ensayos de laboratorio 79 Figura 5.42: Decrecimiento logarítmico de la amplitud de la oscilación con el tiempo.(Suriol, 1993) 5.6.4 Procedimiento del ensayo. El equipo que se presenta a continuación es el desarrollado en base a las ideas de Stokoe et al. (1980) y descrito por Suriol (1993). En el siguiente esquema (Figura 5.43) se puede ver la disposición del equipo de ensayo, así como los componentes necesarios para su realización. También se incluye una fotografía del equipo (Figura 5.44). Figura 5.43: Esquema de la disposición de la instrumentación para el ensayo. (Suriol, 1993) V - Ensayos de laboratorio 80 Figura 5.44: Fotografía del equipo triaxial de columna resonante. La tensión desviadora, en forma de par torsor, se aplica por rozamiento en la cara superior de la probeta, y está generada por un sistema motor de tipo eléctrico. Un sistema de bobinas alimentadas por corriente alterna a frecuencia variable transfiere la energía electromagnética a unos imanes permanentes solidarios al cabezal que se apoya en la cara superior de la probeta. La geometría de las bobinas hace que el sistema oscile cíclicamente siguiendo la frecuencia de la corriente de alimentación. La impedancia eléctrica del sistema es prácticamente constante en el rango de frecuencias usuales (10 a 100 Hz); con esto se asegura la linealidad entre la corriente aportada y el par torsor generado. Figura 5.45: Equipo triaxial de columna resonante desmontado. El ensayo empieza con un proceso de consolidación inicial de la muestra mediante la aplicación de una presión de confinamiento σ, mediante aire a presión que actúa como presión de cámara en la célula triaxial. Posteriormente se somete el suelo a una tensión desviadora cíclica, la cual produce en la probeta una deformación que depende de la tensión de corte aplicada y su módulo de rigidez. La obtención del valor del módulo de corte y de la deformación angular se hace mediante las expresiones 5.55 y 5.57 mencionadas en el apartado anterior. Durante la solicitación cíclica de corte se mide el valor de la aceleración y de la tensión eléctrica suministrada a las bobinas respectivamente en los dos canales del osciloscopio. La condición de resonancia se obtiene cuando en la pantalla del osciloscopio se comprueba que la señal medida por ambos canales dibuja en un gráfico X-Y V - Ensayos de laboratorio 81 una elipse. Con el fin de obtener el valor de la frecuencia de resonancia es conveniente empezar realizando un barrido del rango de frecuencias para valores bajos; de lo contrario si se sobrepasa su valor será necesario hacer el barrido de este rango de forma decreciente. Se debe tener en cuenta que el módulo de corte medido en la probeta corresponde a condiciones no saturadas, ya que así se encuentra la probeta inicialmente. Este módulo medido en condiciones no saturadas será mayor que el medido en condiciones saturadas. El coeficiente de amortiguamiento se obtiene desactivando el suministro de energía en el sistema oscilante, y mediante la expresión 5.58 mencionada en el apartado anterior se calcula su valor. Una de las dificultades del sistema utilizado es la transmisión en la probeta de tensiones cíclicas de corte elevadas, teniendo en cuenta que la transmisión se realiza por rozamiento en la cara superior de la probeta; en cambio, tiene la ventaja adicional de que con una misma probeta se pueden obtener curvas módulo-deformación para diferentes presiones de confinamiento. Por otro lado hay que comentar que el equipo triaxial de columna resonante actúa en la zona de deformaciones que corresponden a las deformaciones en servicio habituales en las obras geotécnicas, mientras que el triaxial convencional es adecuado cuando se trata de ver el comportamiento en una eventual rotura de la obra. Hay que añadir que el ensayo con el equipo triaxial de columna resonante está normalizado en la ASTM (American Standard of Testing Materials) con la referencia D4015.87. 5.6.5 Metodología del ensayo. En el siguiente apartado se describe el proceso de obtención de los datos experimentales ligados al presente trabajo de investigación. Los ensayos se han realizado en el Laboratorio de Geotecnia del Departamento de Ingeniería del Terreno de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona. 5.6.5.a Descripción del suelo utilizado. El suelo utilizado para la realización del ensayo triaxial de columna resonante ha sido el extraído del solar en el que se ubican las nuevas instalaciones del Hospital de la Santa Creu i Sant Pau. Se han tallado probetas de las mismas muestras de suelo con las que se han hecho los ensayos triaxiales convencionales (arcillas cuaternarias con nódulos de pizarra), de modo que puedan correlacionarse con mayor fiabilidad los parámetros obtenidos con los diferentes ensayos. V - Ensayos de laboratorio 82 5.6.5.b Preparación del ensayo. Una vez talladas las probetas con las medidas estándar de 38 mm de diámetro por 76 mm de altura, se colocan, envueltas en una membrana de látex, dentro de la célula triaxial de columna resonante (figura 5.46); la membrana tiene la finalidad de aislar la presión intersticial respecto del aire con que se da la presión de confinamiento. Seguidamente se coloca la probeta dentro del aparato triaxial entre dos piedras porosas y se montan las bobinas por la parte superior de forma que los imanes no queden bloqueados por las propias bobinas (figura 5.47), finalmente se coloca la camisa cilíndrica de acero y la tapa, de manera que el conjunto quede aislado respecto del exterior. Figura 5.46: Fotografía de la disposición de la probeta en la célula de ensayo. 5.6.5.c Medidas. Una vez la probeta está montada dentro del aparato, se procede al ensayo dando una presión de confinamiento de 130 kPa, presión que se aplica a través de un orificio en la tapa superior mediante aire comprimido. Después de esperar 2 días para que la muestra se estabilice lo suficiente se inicia el ensayo. V - Ensayos de laboratorio 83 Figura 5.47: Fotografía de la disposición de los imanes y las bobinas dentro de la columna resonante. Una vez acabadas las medidas que se comentan a continuación, se aplica otro escalón de presión de 300 kPa y se vuelve a medir y finalmente se aplica una presión de 400 kPa. Entre cada escalón de carga se deja estabilizar 2 días la deformación antes de medir. 5.6.5.d Medida del módulo de corte. El procedimiento consiste, fundamentalmente, en aplicar un par torsor generado con el sistema motor formado por las bobinas y los imanes (figura 5.47). El par aplicado empieza con valores muy bajos de manera que la primera lectura puede mostrar incertidumbre. Este valor se obtiene con la ayuda de un osciloscopio; la respuesta del acelerómetro se mide con el otro canal del osciloscopio. Para llegar a resonancia se aplica la frecuencia de excitación de las bobinas con el generador de tensión eléctrica. Para la medida de la frecuencia se dispone de un frecuenciómetro. La resonancia se detecta cuando se muestra una elipse en la pantalla, tal y como se ha explicado en el apartado 5.6.4. Se toma la medida de la tensión máxima aplicada en la condición de frecuencia de resonancia con la ayuda de un voltímetro digital, más exacto que el propio osciloscopio. También se anota la frecuencia de resonancia. Una vez determinados estos dos valores se aumenta el valor de la excitación sobre la probeta provocando así una mayor deformación. Se realiza una nueva medida de la tensión máxima y la frecuencia. Para la obtención del correspondiente módulo de corte se repite este proceso en diez ocasiones. A pesar de la complejidad del equipo electrónico a utilizar en la columna resonante, la metodología de ensayo es relativamente más simple que en el triaxial convencional con medida interna de deformaciones, teniendo en cuenta que se simplifica notablemente la preparación de la probeta; además, con un solo aparato se V - Ensayos de laboratorio 84 pueden medir tres parámetros: módulo de corte, deformación y razón de amortiguamiento. Se pueden hacer varios escalones de carga ya que el ensayo no es destructivo. En la figura 5.48 se muestra la ficha utilizada para la toma de apuntes de los datos significativos del ensayo triaxial de columna resonante. Figura 5.48: Ficha para el ensayo triaxial de columna resonante.