edición 3 anexo 2: estudio tierra blanca joven-uca-2
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Estudio de la resistencia cortante consolidada drenada en muestras con humedad natural y saturada. Comparación de pruebas Proctor estándar y modificada en suelo unidad D de la Tierra Blanca Joven.TRANSCRIPT
Estudio de la resistencia cortante consolidadadrenada en muestras con humedad natural ysaturadas. Compactación de Pruebas ProctorEstándar y Modificada en suelo Unidad Dde la TBJ.
David Barba1, Marcelo Guzmán2, Douglas Márquez3, Alexandra Urbina4.
1 E-mail: [email protected]
2 E-mail: [email protected]
3 E-mail: [email protected]
4 E-mail: [email protected]
(Publicado en Mayo de 2010)
Resumen
1 Introducción.
La mayor parte del suelos en el área
metropolitana están compuesto por tierra
blanca. Dentro de las unidades de la tierra
blanca se encuentra la TBJ-D la cual es un
Limo arenoso de baja plasticidad (SM).
En este artículo se presenta los resultados
obtenidos del Estudio de la resistencia
cortante consolidada drenada en
muestras con humedad natural,
Compactación de Pruebas Proctor
Modificada en suelo Unidad D de la TBJ.
Realizadas por nuestro grupo
posteriormente se presenta una
comparación con los resultados
registrados del Estudio de la resistencia
cortante consolidada drenada en
muestras saturadas de la unidad D con lo
que se pretende dar a conocer el
comportamiento del suelo en cada una de
condiciones anteriormente
prestablecidas.
El estudio de estos parámetros tienen
mucha importancia ya que se utilizan en
el diseño de fundaciones superficiales
para este tipo de suelo.
2 Características y parámetros
buscados con las pruebas realizadas.
2.1 Caja de corte Drenada Consolidad bajo
norma ASTM D 3080-98
La prueba de caja de corte fue realizada a
muestras inalteradas de la TBJ unidad D
en condiciones de humedad natural; lo
cual implicaba que la prueba dependía
grandemente del tiempo transcurrido
desde la excavación hasta la realización
para poder asegurar que los datos son
representativos a las condiciones actuales
del suelo.
Sin embargo esto no implica que los
resultados obtenidos sean erróneos
solamente que se encuentran
representando una condición diferente de
humedad.
Al tener la condición drenada-consolidada
nos obliga a realizar de forma paralela una
prueba de consolidación para poder
determinar el tiempo t50 y poder calcular
la velocidad necesaria de la aplicación de
la fuerza cortante para poder garantizar el
cumplimiento de esto.
Los parámetros encontrados durante esta
prueba fueron Cohesión Efectiva y ángulo
de fricción efectivo, los cuales pueden ser
utilizados para el diseño de algún
elemento el cual entre en contacto esta
unidad y tenga unas condiciones similares
a las probadas.
Las principales limitantes de la prueba es
que no deja que la muestra falle por su
plano más débil sino que induce uno ya
determinado el cual puedo dar resultados
que se encuentren sobre estimando los
valores reales y esto conllevar a una mala
decisión durante el proceso de diseño, no
obstante se pueden considerar aceptables
siempre y cuando se cumpla lo que la
norma establece.
Los esfuerzos para los cuales se realizo
dicha prueba fueron de 25 – 50 – 100 KPa
ya que nuestro suelo presenta un
esfuerzo de pre consolidación cercano a
50 Kpa.
2.2 Prueba Proctor Modificado
Se realizó la prueba de proctor modificado
bajo la norma ASTM D 1557, esta consiste
en compactar diversas muestras de un
mismo suelo a diferentes humedades con
la finalidad de encontrar la humedad
óptima bajo la cual las condiciones de
resistencia a corte son máximas.
El principal objetivo de la compactación
es:
Aumentar la resistencia al corte
Disminuir la compresibilidad
Disminuir la relación de vacíos
Para medir el grado de compactación de
material de un suelo o un relleno se debe
establecer la densidad seca del material.
En la obtención de la densidad seca se
debe tener en cuenta los parámetros de la
energía utilizada durante la compactación
y también depende del contenido de
humedad durante el mismo. [1]
En nuestro caso las pruebas se realizaron
con muestras secadas al aire durante las
horas diurnas por dos días, con la
finalidad de utilizar un suelo lo más
próximo a la condición seca. Esto
simplifica en cierta forma el cálculo
realizado para la cantidad de agua a
agregar en las distintas humedades a
alcanzar.
Debido a que el ensayo es de proctor
modificado se especificó el número de
golpes, el número de capas y el tipo de
martillo de compactación a utilizar (Tabla
1), tomando la fila número 3.
MétodoProctor
N Tamañomolde(cm)
Volumenmolde(cm)
Pisón(kg)
NºCapas
Alturacaída(cm)
NºGolpes
Energíacompac./ volumen(kg*m/m3)
ESTÁNDAR 1 11.64*10.16 943.33 2.49 3 30.48 25 60.500
ESTÁNDAR 2 11.64*15.24 2123.03 2.49 3 30.48 55 60.500
MODIFICADO 3 11.64*10.16 943.33 2.49 5 45.72 25 275.275
MODIFICADO 4 11.64*15.24 2123.03 2.49 5 45.72 55 275.275
15 GOLPES 5 11.64*10.16 943.33 2.49 3 30.48 15 36.400
Tabla 2.2. 1 Especificaciones de la prueba proctor
Se realizó la prueba para las humedades
de 14%, 16%, 18%, 20%, 22%, 24%
obteniéndose la cantidad de ml de agua
que se requerían para lograr cada una de
ellas. Para cada una de las muestras se
tomó la cantidad de 2.5 kg de suelo
(Seco).
3 Características físicas de la
unidad D de la TBJ
Un trabajo muy completo acerca de las
distintas unidades de la TBJ ha sido
presentado por Hernández en 2004 [ ]. De
la unidad D se conoce que es un deposito
rico en cenizas de granos finos, se
caracteriza por tener una granulometría
muy fina, con presencia de arena y grava
de pómez dispersa; además de la
abundante presencia de lapilli acrecional,
conocido localmente como “grumos” [ ]
Con el objetivo de conocer las
propiedades de la unidad a estudiar, en
marzo del presente año se extrajo una
muestra alterada de tierra blanca de la
unidad D fue extraída en Santo Tomas,
municipio de San Marcos para la
realización de diversas pruebas. Los
resultados obtenidos de las pruebas de
clasificación visual manual según SUCS
pueden verse en la tabla No. 1.
Nombre grupo Limo arenosoSimbolo grupo MSColor BeigeOlor ----Humedad HúmedoReaccion HCl NingunaProcenta je arenas 20%Procenta je finos 80%Plasticidad de finos No plásticoResistencia en seco BajaDila tancia RápidaTenacidad Bajo
Tabla 3. 1 Resultados de clasificación SUCS
De esta información se puede confirmar
lo establecido por Hernández [ ], siendo la
unidad D un suelo predominantemente
fino. El valor de humedad promedio
obtenido fue del 18.5% que concuerda
con los obtenidos por Hernández [ ] que
varían entre el 16 al 20%.
La curva granulométrica se presenta en la
figura No. 1, con ella se vuelve a
confirmar los valores obtenidos en la
clasificación visual-manual y los obtenidos
por Hernández [ ]; la cantidad de material
que sobrepasa la malla No. 4 el 99.89%
indicando una muy leve presencia de
gravas, el porcentaje de arenas es del
19.57% siendo mayoritariamente arena
fina, mientras que el porcentaje de finos
es del 80.33%.
Figura 1. Curva granulométrica
Las pruebas correspondientes a los límites
de Atterberg no fueron realizadas, esto
debido a que por experiencias pasadas se
conoce que dichos limites no son
calculables, debido a la no plasticidad de
los suelos; lo cual indica que el contenido
de finos del suelo esta compuesto
básicamente por limos.
El valor de gravedad especifica obtenido
fue de 2.37, el cual concuerda con los
obtenidos por Hernández [ ] de entre
2.388 a 2.484; la leve diferencia puede
deberse a la alta presencia de pómez en la
muestras analizadas, que debido a su baja
densidad reduce significativamente el
valor de GS.
El peso volumétrico medido durante el
proceso de realización de las pruebas de
clasificación fue de 1.13 ton/m3, este
valor difiere en gran medida con los
obtenidos por Hernández [ ] de entre
1.365 a 1.789 ton/m3; esta gran
diferencia pudo deberse a errores durante
la medición del volumen del instrumento
utilizado para el transporte del
espécimen. Debido a esto, se decidió
utilizar para el cálculo del diagrama de
fase y los cálculos de porosidad y relación
de vacios los valores de densidad natural
obtenidos con las muestras inalteradas
utilizadas en las pruebas de corte directo
que se presentaran en el siguiente
apartado. El valor obtenido con la
muestra usada en la prueba de caja de
corte con esfuerzo normal de 50 kPa fue
de 1.3 ton/m3, el cual se asemeja a los
valores obtenidos por Hernández [ ]; la
humedad calculada para dicha muestra
fue de 9.3%, la diferencia entre las
humedades se puede explicar por el
hecho de haber extraído la muestra
durante horas del medio día y a que
posiblemente se produjera una pérdida
de humedad entre el tiempo en que se
realizó la excavación de la muestra y la
ejecución de la prueba. Con estos valores
se desarrollo el diagrama de fases para el
suelo en estado natural que se presenta
en la figura No. 2
A partir de dichos valores se calculo una
relación de vacios de 1.01 y una porosidad
de 50.2%, estos valores concuerdan con
los resultados presentados por Hernández
[ ], en los cuales la relación de vacíos varía
entre 0.984 a 1.066 y la porosidad entre el
37.8% al 51.6%.
Figura 3. 1 Diagrama de fase de la unidad D
4 PRESENTACION Y ANALISIS DE
RESULTADOS.4.1 Consolidación y Caja de cortePara la realización efectiva de las pruebas
propuestas fue necesario realizar unas
pruebas de consolidación para garantizar
esta condición durante la realización de
las cajas de corte CD (Slow Test) y a partir
de los resultados encontrar la velocidad
necesaria a aplicar en las pruebas de caja
de corte.
Los tiempos t50 encontrados en esta
prueba se presentan a continuación:
Los cuales se calcularon se calcularon
siguiendo el procedimiento grafico como
se muestra en la grafica a continuación
para un esfuerzo normal de 25Kpa:
Logrando obtener las siguientes
velocidades para las pruebas de caja de
corte C.D.:
Esfuerzo de 25 Kpa, Velocidad: 15
div. / min. , Tiempo estimado de
Falla: , Tiempo Real de
falla: 185 minutos [3.08 hora]
Esfuerzo de 50 Kpa, Velocidad: 25
div / min. , Tiempo estimado de
Falla: , Tiempor Real de
Falla: 118 minutos [1.97 hora]
Esfuerzo de 100 Kpa., Velocidad:
25 div /min, tiempo estimado de
falla: , Tiempo Real de
Falla: 119 minutos [1.98 hora]
Logrando obtener la siguiente grafica
resumen de las pruebas:
Una observación de esta grafica es que sin
importar el esfuerzo normal a estuviera
sometida la muestra para que la falla se
da al sufrir un desplazamiento horizontal
máximo aproximado de 7.5 mm.
Ya con todos los datos recolectados de las
pruebas se procedió a la construcción de
la grafica de esfuerzo normal vrs esfuerzo
cortante máximo, con el objetivo de
obtener de obtener C’ y Ø’, el cual debería
presentar una alta cohesión al ser un
suelo mayormente de grano fino (80%
pasa malla 200) y cierto ángulo de fricción
por la presencia del 20% de arenas.
Eso se observa en la grafica siguiente:
Dando unos valores de C’ de 40.84 y un
Ø’ de 26.06° lo cual confirmaba nuestra
sospecha inicial.
También al compara estos valores con losexpuestos por Reinaldo Rolo en “Geologicand engineering characterization ofTierra Blanca pyroclastic ash deposits”
que posee una Cohesión de 30 Kpa a una
humedad natural de ese momento, pero
ya que nuestro suelo había perdido la
mayor parte de la humedad, debido a que
se utilizo la muestra inalterada(queso) por
otro grupo de trabajo, la cohesión tubo
que aumentar por lo que el valor
encontrado se encuentra en 40.84 el cual
es una diferencia de 10 Kpa
aproximadamente, pero aun se encuentra
dentro del rango propuesto por Bernal
Rosario en el año 2002.
Tambien estos cambios se deben alos
cambios de granulometría en las
diferentes zonas donde se encuentra la
TBJ – D y a la presencia de “grumos” los
cuales oponen un mayor resistencia a los
enseyos de corte.
El valor de Φ´ de acuerdo a la gráfica 4.1
se encuentra en el intervalo de 26 º a 27 º
para un suelo SM (Clasificación de la
unidad D de TBJ según SUCS) por lo que se
concluye que el resultado obtenido es
aceptable.
4.2 Prueba Proctor Modificado
En la prueba proctor modificado se obtuvo el
valor de humedad optima de 21.25 % para
una energía de compactación de 275.28 kg-
m/m3 asimismo se registro el peso seco
unitario de 13.96 KN/m3.
5 Comparación de pruebas realizadas en
condiciones de humedad natural y
saturada.
5.1 Caja de Corte
Los resultados anteriores solo cubren la parte
de la condición natural, sin embargo se
realizaron pruebas en condiciones saturadas
por el grupo # 5, estableciendo así la
posibilidad de compara el comportamiento de
la TBJ – D en distintos casos de humedad.
Comparando los resultados de la prueba de
25Kpa de esfuerzo normal la relación de
esfuerzo contante que posee es cercana a 1 ::
2[Saturada - Natural], así como se observa en
la grafica :
Algo parecido pasa en la prueba de 50Kpa de
Esfuerzo normal solo que esta vez crece hasta
alcanzar el valor de 1 :: 2.7 [Saturada -
Natural] como se ve en la grafica siguiente
Ilustración 4. 1
Sin embargo en la prueba de 100Kpa la
Realcion decrese hasta su valor más bajo 1::
1.5 [Saturada - Natural] como se puede
apreciar en la figuara.
Dando una relación promedió de cerca al
1::2 [Saturada - Natural].
También podemos observar que el
desplazamiento que soportan las
muestras saturadas es casi independiente
de la carga normal que se les aplicaque, lo
cual se había observado en las prubas que
nosotros realizamos.
Hoy si comparamos las graficas de Esfuerzo
cortante vrs esfuerzo normal vemos una caída
en la cohesión, lo cual era evidente al
aumentar la cantidad de agua en la muestra
hasta saturarla, por lo que debería tender a
cero, y una disminución en la pendiente.
Esto es fácil de observar en la grafica que a
continuación se presenta:
Esta disminución en la propiedades del suelo
se debe a la perdida de algún agente
ceméntate disoluble al agua y que no
reacciones al acido.
5.2 Proctor estándar Vrs Proctor
Modificado
Esta prueba se realizó para encontrar la
humedad optima de la unidad D,
teóricamente debería encontrar la
humedad optima (modificada) inferior a la
óptima (Estándar)
Sin embargo como se puede observar en
la gráfica esto no sucedió, sino que la
prueba modificada dio una humedad
optima mayor, pero al comparar con la
humedad que se encontró el ciclo 02-09
en la materia de principios de Geotecnia
las cual era de alrededor de 22% con una
prueba de proctor estándar, los
resultados obtenidos tienen sentido ya
que la encontrada con la prueba
modificada está por debajo de esta y tiene
un peso unitario seco mayor.
[1][Tomado de http://html.rincondelvago.com/ensayo-de-proctor-estandar-y-modificado.html
visitada 18-05-2010]
[Tabla 1] [Tomado de http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/mecanica6.html visitada 18-05-
2010]