Download - Meca Suelos Tema 6
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYAEscola Tècnica Superior d’Enginyers de Camins, Canals i Ports
Mecànica del Sòl
Tema 6 Introducció al comportament
mecànic del sòl no saturat
Tema 6: Índex
• Problemes geotècnics associats als sòls no saturats– Sòls naturals– Sòls “artificials”
• Assaigs de compactació Proctor• Compactació i microstructura• Mapes de deformació volumètrica• Tensions efectives – Espais de tensions• Influència de la succió i la microstructura sobre
la deformació volumètrica• Estructures fonamentades sobre rebliments• Efecte de la pluja sobre terraplens de carretera
6.1
Problemes geotècnics associats als sòls no saturats
Sòls naturals
ALTA POROSIDAD (Tropicales, residuales, suelos aluviales)
COLAPSO: Asiento al humedecer bajo carga
ESTABILIDAD DE TALUDES
ALTA PLASTICIDAD
HINCHAMIENTO Y RETRACCIÓN
CLIMAS SEMIÁRIDOS Y ÁRIDOS. FUERTES VARIACIONES DE SUCCIÓN (incluyendo árboles, vegetación)
(Movimientos horizontales y verticales)
EDIFICIO DE VIVIENDAS EN TARRAGONA
ESTABILIDAD DE TALUDES (fluencia)
PRESIONES SOBRE MUROS
SUELOS CEMENTADOS
COLAPSO POR HUMEDECIMIENTO BAJO CARGA
( y no saturados) LOESS LIMOS YESIFEROS SUELOS RESIDUALES /
TROPICALES
Aspecto de limos naturales colapsables de baja densidad en el canal Algerri-Balaguer, provincia de Lleida
Colapso del terreno en el trasdós del cajero del
canal
Sòls “artificials”
RELLENOS DE ALTA POROSIDAD
TERRAPLENES COMPACTADOS (carreteras y presas)
COLAPSO al humedecer bajo carga
COLAPSO si baja compactación, lado seco
HINCHAMIENTO si alta compactación, lado seco
EMBANKMENT 40 m HIGHMadrid-Sevilla High Speed Train. Schist and slate rockfill
(Soriano & Sánchez, 1999)
ESCOLLERAS
COLAPSO al humedecerse
CALANDA dam. Teruel. Spain
COLAPSO DE LA PRESA DE MARTÍN GONZALO
OTROS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS
Túneles en roca expansiva Coberturas de residuos
LEVANTAMIENTO DELA SOLERA. TÚNEL DE LILLA
OTROS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS
Cimentaciones
ASCÓ NUCLEAR POWER STATION
OTROS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS
Almacenamiento de residuos nucleares
de alta actividad
OTROS PROBLEMAS GEOTÉCNICOS
Pavimentos
Canales Pilotajes
6.2
Assaigs de compactació Proctor
En la práctica convencional, la compactación de un suelo queda
definida por la pareja de valores (d , w) que se pueden representar en
el denominado “plano de compactación”
SE CUMPLE :
Y
d s
r w s
/ 1 e
w S e /
wd
s
sr
1
ws
CURVAS Sr = CONSTANTE EN EL
PLANO DE COMPACTACIÓN
CURVAS CLÁSICAS DE COMPAC-
TACIÓN
ENSAYOS CLÁSICOS PROCTOR (por golpeo repetido)
ENERGÍA PROCTOR NORMAL (PN) : 596 kJ/m3
ENERGÍA PROCTOR MODIFICADO (PM) : 2672 kJ/m3
PN : 2.5kg ; h = 300 mm ; 3 capas ; 25 golpes/capa
PM : 4.5kg ; h = 450 mm ; 5 capas ; 25 golpes/capa
¡ALTA!
ENSAYOS CLÁSICOS PROCTOR (por golpeo repetido)
EJEMPLO: tomado de Head “Manual of Laboratory Testing, 1980)
Arena limosa grue-sa bien graduada
Grava + arena + li-mo + arcilla
Arcilla arenosa
Arena fina uniforme
Arcilla plástica
1
2
3
4
5
VOLUMEN DE AIRE EN LOS POROS
ES UNA MEDIDA ALTERNATIVA DE LA SATURACIÓN. SE DEFINE:
totalVolumen
airedeVolumenVa
SE CUMPLE:
sd
ar
rs
da
ra
/1
V1S
S11V
e1
S1eV
Sr = 1
COMPACTION OPTIMUM CORRESPONDS, APPROXIMATELY, TO 5% AIR VOIDS
Curvas de compactación en el plano (d, w).
La mayor parte de la investigación sobre suelos no saturados se ha efectuado sobre muestras compactadas estáticamente para conseguir condiciones de homogeneidad
También en suelos compactados estáticamente se encuentra un óptimo de compactación
(Ver curvas de compactación estática de una arcilla de alta plasticidad: arcilla de Boom, Bélgica)
SUCCIÓN Y COMPACTACIÓN
La medida de succión en muestras compactadas permite dibujar curvas de igual succión.
Son subparalelas a las curvas Sr constante pero, en el lado seco, la succión está esencialmente controlada por la humedad
Compactación estática de arcilla de
Boom. Datos de UPC
BARCELONA RED SILTY CLAY. UPC DATA
Relación entre contenido de humedad y succión para cinco mezclas de
suelo (Marinho y Chandler, 1993).
Succión medida en el óptimo de compactación en función del índice de plasticidad, según datos de a) Acar y
Nyeretse (1992); b) Marinho y Chandler (1993).
6.3
Compactació i microstructura
Las ideas iniciales de Lambe (1958) (ver figura adjunta):
LADO SECO : Estructura “floculada”
LADO HÚMEDO : Estructura “dispersa
han permanecido en los textos. Sin embargo, el microscopio electrónico permitió una descripción más precisa de la microestructura, así como la determinación de porosimetrías:
LADO SECO : Agregados de partículas de arcilla estructura “granu-
lar”: varios tamaños de poros dominantes
LADO HÚMEDO : Estructura homogeneizada Un tamaño de poro dominante
(ver porosimetría y fotografías M.E. de limo de Jossigny, P. Delage)
CONSECUENCIAS:
LADO SECO : Estructuras abiertas, más propensas al colapso Estructuras de tamaño de poro uniforme y reducido, menos propensas al colapso
(Lambe, 1958)
LIMO DE JOSSIGNY. CURVA DE COMPACTACIÓN
JOSSIGNY SILTCOMPACTED WET OF OPTIMUM (Delage et al., 1996)
JOSSIGNY SILTCOMPACTED DRY OF OPTIMUM (Delage et al., 1996)
LIMO DE JOSSIGNY. POROSIMETRÍA
LIMO DE JOSSIGNY. POROSIMETRÍA
MICROPOROSITY. MERCURY INTRUSION DATA. COMPACTED BOOM CLAY (Romero, 1998)
Microfotografía de arcilla limosa de Barcelona compactado del lado
seco.
Microfotografía de arcilla limosa de Barcelona compactado del
lado húmedo.
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06
Pore size (nm)
Lo
g. d
if. I
ntr
. (m
L/g
)
Serie DD
Serie WW
Porosimetrías de muestras compactadas del lado seco (DD) y húmedo (WW) de la arcilla limosa de Barcelona
6.4
Mapes de deformació volumètrica
SE HAN REUNIDO EN FIGURAS ADJUNTAS “MAPAS” DE DEFORMACIÓN
VOLUMÉTRICA, DIBUJADOS EN EL PLANO DE COMPACTACIÓN (d , w),
PARA DIFERENTES MATERIALES:
Cox (1978) : Marga del Keuper de baja plasticidad
Escario (1987) : Arcilla Miocena
Lawton et al. (1989) : Arena arcillosa
Limo arcilloso de baja plasticidad de la Ciudad de Barcelona (3 mapas bajo tensiones verticales de 0.1, 0.3 y 0.6 MPa)
(WL = 30.5% ; IP = 11.8% ; A = 0.5)
LA INFLUENCIA DE LA TENSIÓN DE CONFINAMIENTO SE INDICA EN LA FIGURA SIGUIENTE:
Cox, 1978
LOW PLASTICITY KEUPER MARL
MIOCENE CLAY (vertical stress = 0.4 kg/cm2) (Escario, 1987)
LAWTON, FRAGASZY & HARDCASTLE (1989, 1991)
TESTS ON COMPACTED SAMPLES OF SLIGHTLY EXPANSIVE CLAYEY
SAND (wL = 34 , Pl = 15 , A = 1)
Lawton et al. (1989): Data on collapse/swelling strains under oedometric conditions
Lawton et al. (1991): Data on the effect of stress ratio on collapse under triaxial conditions
MOISTURE DRY DENSITY RELA-TIONSHIPS GIVEN BY LAWTON ET AL (1989).
ALSO INDICATED ARE THE INITIAL CONDITIONS OF SAMPLES TESTED
COMPACTED CLAY SAND (SC) (Vertical stress = 0.4 MPa)
Lawton et al (1989).
BARCELONA SILTVOLUME CHANGE OF SATURATION (%)
BARCELONA SILTVOLUME CHANGE OF SATURATION (%)
BARCELONA SILTVOLUME CHANGE ON SATURATION (%)
Variación de las densidades secas correspondientes a la transición entre comportamiento expansivo y colapso con la tensión vertical aplicada (Suriol y
otros , 2002)
TODOS LOS GRÁFICOS SON SIMILARES:
Todos los suelos (con algún contenido en arcilla) tienden a expandir o colapsar en función de su densidad seca (o índice de poros)
Alta densidad ExpansivoBaja densidad Colapso
Para que se produzca el cambio volumétrico al saturar es necesario que exista una succión inicial significativa (humedades bajas – infe-riores al óptimo). Si se da esta condición, la expansión o colapso final sólo depende de la humedad (o succión) inicial.
Los cambios volumétricos cuando w > wopt de compactación son pequeños porque la succión inicial es baja.
Se puede identificar una d “crítica” para la que no existen cambios volumétricos. Pero su valor cambia con la tensión de confinamiento (ver los 3 “mapas” del limo arcilloso de Barcelona):
d crítico = 1.80 g/cm3 si v = 0.1 MPa
d crítico = 1.85 g/cm3 si v = 0.6 MPa
6.5
Tensions efectivesEspais de tensions
SUELO SECO (Tensión total)
SUELO SATURADO (Tensión efectiva)
COMPACTED BOOM CLAY (CH). Ensayos edométricos con succión controlada
(Romero, 1997)
ECUACIÓN AUTOR PARÁMETROS
Croney, Coleman y Black (1958)
Bishop (1959)
Lambe (1960) Definición en texto
Aitchinson (1961) parámetro del suelo entre 0 y 1
P” = deficiencia presión agua = Pa - Pw
Jennings (1961)
Richards (1966)hs = succión osmótica
hm = succión estructural
Sparks (1963)
TENSIONES EFECTIVAS EN SUELOS NO SATURADOS (Fredlund y Morgenstern, 1977)
wP
waa PPP
cwaon A,A,Af
R AA A P A P
A
c a a w w
t
"P
"P
sas
mama
hP
hPP
a1PPP awa
c
on
wawon
Afa
PP,A,Tf
ron
sm Sf,
con Af
ron Sf
TENSIÓN EFECTIVA
Saturado : No saturado (Bishop, 1959) :p w p p p a w a
Pero estas tensiones efectivas no explican el fenómeno de colapso:
Alternativa: dos tensiones efectivas independientes. De esta manera, los fenómenos de hinchamiento y colapso pueden representarse en un espacio (e, -pa, pa-pw)
TENSIONES EFECTIVAS
DEFORMACIÓN PLANA
p p p 0 0
3D p y 0 p p 0
p 0 0 p p
1D p y p p
p
2D p y p p
x a xy xz a w
xy y a yz a w
xz yz z a a w
a a w
x a
y a a w
xy
TENSIÓN NETA SUCCIÓN (Esférica)
SUELO NO SATURADO (Tensión neta; Succión)
ESPACIOS DE TENSIONES. SUELOS NO SATURADOS
ISOTRÓPICOS
: Humedecimiento a tensión constante
: Carga en suelo saturado
: Secado a tensión constante
: Carga a succión constante
: Trayectoria seguida en un ensayo de presión de hinchamiento
ESPACIOS DE TENSIONES. SUELOS NO SATURADOS
TRIAXIAL
OA : Carga isotrópica – Suelo saturadoAB : Secado a tensión media constanteBC : Aplicación de un desviador a succión y tensión media constante
a a w
a a w
e b log p c log p p
d log p log p p
Superficie de Estado
(Lloret y Alonso, 1988)
6.6
Influència de la succió i la microstructura sobre la deformació volumètrica
SUCCIÓN : Controla el desarrollo del colapso (o el hinchamiento) amedida que se reduce (humedecimiento)
Ver Figura adjunta obtenida en un edómetro con control de succión (Arcilla compactada de Boom; Romero, 1997)
MICROESTRUCTURA : Es difícil aislar su influencia porque:
a) El el “lado seco” la estructura es abierta PERO TAMBIÉNexiste una succión alta. Por tanto no se puede inferir “apriori” que a microestructuras abiertas, bimodales, típi-cas del lado seco le corresponden colapsos elevados (ohinchamientos)
b) En el “lado húmedo” la estructura es unimodal (“disper-sa” en propuesta de Lambe) PERO TAMBIÉN existe unasucción baja. Por tanto no se puede inferir “ a priori”que a las estructuras unimodales/dispersas del lado hú-medo le corresponde una escasa deformación volumé-trica
SON NECESARIOS ENSAYOS AD HOC, QUE SE PRESENTAN EN LAS FIGURAS SIGUIENTES
LOW PLASTICITY CLAY (Barcelona). WETTING-TESTING PATHS: DD, WD, DW, WW, DWD
Idea: Compactar en un determinado estado (seco – D - o húmedo – W – y modificar a continuación la humedad de la muestra para convertirla en “húmeda” o “seca” y poder así compararla con muestras directamente compactadas como “húmedas” o “secas”
Porosimetría del limo arcilloso de Barcelona, compactado en las posiciones W y D
EQUIPO EDOMÉTRICO CON CONTROL DE SUCCIÓN UTILIZADO EN ESTA INVESTIGACIÓN
SUCTION CONTROL LOADING-WETTING
Suction dry = 1.0 MPa Suction wet = 0.1 MPaPATHS: DW, WW
SUCTION CONTROL LOADING-WETTING
PATHS: DD, WD, DWD
Propuesta de criterio de compactación. a) Suelos de plasticidad media y baja o suelos bajo tensiones de confinamiento elevadas. b) Suelos de plasticidad alta o
suelos bajo tensiones de confinamiento medias y bajas.
CONCLUSIONES
El valor de la succión inicial es el principal factor para explicar el cambio volumétrico posterior al saturar. Muestras compactadas del lado húmedo pueden colapsar (o hinchar) si experimentan un proceso de secado tras la compactación
No es fácil dar reglas de validez general para compactar un suelo a partir de los índices (d , w) únicamente
(Por las razones anteriores)En primera aproximación:
Proctor Modificado: conduce a densidades muy altas ries-go de hinchamiento
Proctor Normal: Insuficiente densidad en ocasiones para evitar colapsos
Las microestructuras del lado húmedo son menos propensas a cambios volumétricos que las obtenidas por el lado seco. Pero es-te factor es secundario frente a otros (densidad inicial y succión inicial)
6.7
Estructures fonamentades sobre rebliments
LA MINA DE DAROCA.
Construída en tiempos de Felipe II
para evitar las inundaciones
periódicas de la villa de Daroca, Teruel
6.8
Efecte de la pluja sobre terraplens de carretera
020406080
100120140
1-Sep
11-Sep
21-Sep
1-Oct
11-Oct
21-Oct
31-Oct
Inte
nsid
ad d
e llu
via
(mm
/día
)
Septiembre Octubre
Lluvia acumulada en 38 días: 374 l/m2
Máxima lluvia en un día: 123 l/m2
. Rainfall induced deformations of road embankments.
(Eix transversal, Catalunya)
Rainfall distribution
BRIDGE ABUTMENT
Erosion of slopes
Gaps opened between transition slab and fill
Collapse of earth fill
Shallow slides
ROAD EMBANKMENT (Lérida-Gerona, Cataluña)
CARACTERÍSTICAS:
Suelo residual de granito wL = 30-40%
IP = 10-16%
Proctor Normal (Proyecto) d opt = 1.75 Mg/m3
wopt = 14.7%
Control de campo (sonda nuclear) d opt = 1.85 Mg/m3
(1.76-1.99 Mg/m3)
wopt = 9.4%
(6.5-12.4%)
Muestras tomadas en sondeos tras fuertes lluvias
d opt = 1.76 Mg/m3
(1.67-1.95 g/cm3)
wopt = 13.2%
(8-17.8%)
Propiedades del terreno
0
10
20
30
10 20 30 40 50
Límite Líquido
Indi
ce d
e P
last
icid
ad
Muestras ensayadas
Valor promedio
CL
MLCL-ML
1.5
1.7
1.9
2.1
5 10 15 20 25Humedad (%)
Den
sida
d se
ca (
g/cm
3 )
Promedio construcciónMedidas construcciónOptimo Proctor Normal
Sr=0.6Sr=0.8
Sr= 1.0
< 74 m 45%Suelo residual de granito
Alonso et al. (1999)
Ensayos de inundación bajo carga
0 .0 1 0 .1 1T e n sió n e fe c tiv a v e rtic a l,
(v - u w ) M P a
0 .4 0
0 .5 0
0 .6 0
0 .7 0
Indi
ce d
e po
ros,
e
w f= 1 9 .8 %
w n= 1 5 .7 %
S atu rac ió n
n = 1 .8 9 g /c m 3
e o= 0 .6 8 1 ; S r o= 6 3 .2 %
.
Grados de saturación tras periodo de lluvias
0
2
4
6
40 50 60 70 80 90 100Grado de saturación (%)
Pro
fund
idad
(m
)
Coronación talud Eje de la calzada
Valor medio inicial
Alonso et al. (1999)
Ensayos de inundación bajo carga:Colapso remanente
-2
0
2
4
0 0.05 0.1 0.15Tensión vertical (MPa)
Def
orm
ació
n de
col
apso
(%
) = 1.7 g/cm =1.9 g/cm3
d3
d
Alonso et al. (1999)
TODAS LAS MUESTRAS CUMPLIERON EL CRITERIO d >
95% d OPT PN Y SIN EMBARGO LOS TERRAPLENES
COLAPSARON (deformaciones horizontales y verticales)
SE MIDIERON CORRIMIENTOS DE MÁS DE 30 cm EN TERRAPLENES DE 6-7 m DE ALTURA
Evitar humedades del lado seco
Modelación numérica de la evolución de la deformación
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4x (m )
0
2
4
6
8
y (m
)
L L U V IA
P.
.
.
.
.
uw=0
Flujo de agua
0 .0 0
0 .0 1
0 .1 0
1 .0 0
Succ
ión
mat
rici
al, (
u a-uw
) M
Pa
(v - u a)= 0 .0 7 M P a
7 6 8 0 8 4 8 8 9 2 9 6 1 0 0G r a d o d e s a t u r a c i ó n , S r ( % )
.
.
.
.
kw(Sr)=Kws((Sr-0.25)/0.75)3
Sr (ua-uw)
Deformación
v= f ((ua-uw),(-ua))
Alonso et al. (1999)
Modelación numérica de la evolución de la infiltración
kws= 5· 10-9 m/s
0 5 1 0 1 5x (m )
0
2
4
6
y (m
)
Sr (t=92 días)
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.1 1.0 10.0 100.0
Tiempo (días)
Pre
sión
del
agu
a (M
Pa)
Prof.=1m
P
P
Alonso et al. (1999)
Modelación numérica de la evolución de la deformación
1 E -5 1 E -4 1 E -3 1 E -2 0 .1
T · K / H
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
Asi
ento
/ as
ient
o fi
nal
w s
1
2
3
t
t
t
.
Asiento remanente
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6x (m )
0
2
4
6
8
y(m
)
t1t2
t3
ttt
1
32
D e sp la z a m ie n to s (1 0 c m )
.
.
kws= 5· 10-9 m/s
H= 7 mt1= 21 días
Alonso et al. (1999)
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE DE SUELOS NO
SATURADOS
banf tans'tanp'c
(Fredlund et al., 1978)
Direct shear tests under controled suction for Madrid clayey sand (“Arena de miga”)
Shear strength versus normal stress for different values of the
suction
Shear strength versus suction for different values of the normal
stress
Escario & Saez, 1986
Results of shear box tests on three different soils under high suctions
Escario & Jucá, 1989
bwaanf tanpp'tanp'c
Cerca de saturación: f n wc ' p tan '
Y, (df/ds) = (df /d’) btan tan '=
Condiciones de consistencia cerca de saturación
CONCLUSIONES
La comprensión de los fenómenos de resistencia de suelos no satu- rados requiere realizar ensayos con succión controlada
La resistencia de un suelo no saturado puede expresarse como:
La superficie envolvente de rotura no es plana
Los efectos de succión son más fuertes cerca de la saturación (’) y pueden estabilizarse (o reducirse) a altas succiones
La dependencia del ángulo de fricción respecto a la succión es muy variable
s,pf anf
Estabilidad de los taludes. (Eix Transversal de Catalunya, Girona): Efecto de la succión en la resistencia del suelo
0 .0 0 0 .0 5 0 .1 0 0 .1 5 0 .2 0 0 .2 5
T e n s ió n v e rtic a l n e ta , (v - u a) M P a
0 .0 0
0 .0 5
0 .1 0
0 .1 5
0 .2 0
0 .2 5
0 .3 0
Ten
sión
de
cort
e,
(MPa
)
0 .0 0
0 .0 5
0 .1 0
0 .1 5
0 .2 0
0 .2 5
0 .3 0
0 .0 0 0 .1 0 0 .2 0 0 .3 0 0 .4 0 0 .5 0
S u cc ió n , (u a - u w ) M P a
' = 2 9 .0 º(u a-u w
) = 0 .4 0 M P a
w n= 1 5 .7 %
(u a-u w)= 0 (w f 2 1 .6 % )
'= 2 1 .0 º
( u a - u w )= 0 .0 5 M P a
w f 2 1 .6 %
b '(S r> 0 .9 5 )
b= 1 4 .1 º
(v - u a) :0 .2 0 M P a
0 .0 7 M P a
w n = 1 5 .7 %
.
.f = c’+ (ua-uw) tan b + (-ua) tan ’= cap+ (-ua) tan ’
Alonso et al. (1999)
Estabilidad de los taludes: Efecto de la succión en la resistencia del suelo
f = c’+ (ua-uw) tan b + (-ua) tan ’= cap+ (-ua) tan ’
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25
x (m)
cap= 10 kPa)
FS min=1.818
cap= 10 kPa
F.S. min. 1.82
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25
x (m)
y (m
)
cap= 0
F.S. Min0.82
Alonso et al. (1999)
Conclusiones (terraplenes en Girona):
•Un periodo de fuertes lluvias puede inducir daños de diversa índole: erosión, descalces, asientos y deslizamientos superficiales.
•Humedades de compactación por debajo de la humedad óptima con densidades secas del orden del Proctor Normal conducen, al aumentar la humedad del suelo, a deformaciones de colapso que se traducen en asientos importantes (del orden de 20-30 cm en el caso estudiado). Los asientos futuros se pueden estimar mediante ensayos de inundación bajo carga.
Conclusiones:
•Un análisis numérico que acople el flujo no saturado y la deformación por cambios de tensión y succión, puede modelar la evolución de los asientos.
•Con la permeabilidad obtenida en laboratorio, los tiempos de infiltración necesarios para saturar el terraplén son muy altos. Los asientos debidos a futuros aumentos de saturación son pequeños.
• La cohesión aparente aumenta rápidamente con la succión. En el interior del terraplén la cohesión aparente impide la existencia de roturas profundas.
WETTING UNDER LOAD TESTS