1 - Caracterización dinámica de suelos - Díaz-Rodríguez

7/22/2019 1 - Caracterizacin dinmica de suelos - Daz-Rodrguez

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1Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo


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CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS

ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO

Escuela de Ingeniera Civil de la Universidad Pedaggicay Tecnolgica de Colombia,

Tunja, Colombia 28 de octubre, 2013

Jorge Abraham Daz-RodrguezProfesor de Ingeniera Civil

en colaboracin con

Guadalupe Salinas-Galindo

Universidad Nacional Autnoma de MxicoUNAM)2Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo


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1. Introduccin

2. Efecto de la velocidad de aplicacin

de carga3. Efecto de la carga repetida

4. Ensayos de laboratorio

5. Ensayos de campo

CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO



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1. Introduccin2. Efecto de la velocidad de aplicacin de carga

3. Efecto de la carga repetida

4. Ensayos de laboratorio4.1 Ensaye de pulsos ultrasnicos

4.2 Ensaye con elementos bender

4.3 Ensaye con columna resonante

4.4 Ensaye triaxial cclico4.5 Ensaye de corte simple cclico

4.6 Ensaye de torsin cclica

4.7 Ensaye en mesa vibradora

4.8 Ensaye en Centrifuga

5. Ensayos de campo5.1 Ensayo de ondas de superficie

5.2 Ensaye de refraccin ssmica5.3 Ensayes up-hole y down-hole

5.4 Ensaye cross-hole

5.5 Ensayo anlisis espectral de ondas de superficie (SASW)




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1.INTRODUCCIN




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Los retos que enfrenta la ingeniera civil son cada vez ms

importantes, el diseo y construccin de grandes obras hidrulicas,edificios de gran altura, hospitales, escuelas, puentes y centrales

nucleares. La meta de la ingeniera civil es que toda obra sea

segura y confiable.

En los ltimos aos, se han realizado grandes avances en el

desarrollo de procedimientos analticos para calcular la respuestadinmica de estructuras geotcnicas, sin embargo, el uso de tales

procedimientos requiere de la medicin de las propiedades

dinmicas de los suelos.

El comportamiento de una obra hidrulica durante la ocurrencia de

un sismo intenso y el diseo de la cimentacin de una mquina, sondos problemas tpicos de la dinmica de suelos, que requieren la

determinacin de las propiedades dinmicas de los suelos para

rangos de deformacin diferente.




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A la fecha se han desarrollado varios procedimientos para medir las

propiedades dinmicas de los suelos teniendo en cuenta el rango de

deformaciones caractersticas de cada aplicacin; mientras que un sismo

intenso puede desarrollar deformaciones de 10%, la cimentacin de un

microscopio electrnico es sensible a deformacines de 10-4%.

Las principales propiedades dinmicas de los suelos que se requieren en la

prctica profesional son:

Mdulo dinmico equivalente de Young, Eeq Mdulo dinmico al esfuerzo cortante, G Mdulo dinmico de deformacin volumtrica, K Relacin de Poisson, v Amortiguamiento,

Propiedades esfuerzo-deformacin Parmetros de licuacin Resistencia al esfuerzo cortante en funcin de la velocidad de aplicacin

de la carga.

Otros




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Debe tenerse en cuenta que no existe un ensaye nicoquecubra todo el intervalo de deformaciones requerido en lasolucin de los problemas de la dinmica de suelos.

El ensaye de los suelossometidos a carga dinmica puederealizarse mediante procedimientos de laboratorio o

mediante procedimientos de campo, ambos enfoquestienen ventajas y desventajas, las cuales se discuten acontinuacin.

Las ventajas de los procedimientos de laboratorioradicanen su economa, la relativa facilidad con la que las variables

de ensaye se pueden variar, as como la definicin de lascondiciones de frontera; su principal desventajaradica en laalteracin provocada por los procedimientos de muestreo,transporte, almacenamiento y ensaye.




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Las ventajas de los procedimientos de laboratorioradican en su economa, la relativa facilidad con la que lasvariables de ensaye se pueden variar, as como ladefinicin de las condiciones de frontera; su principaldesventaja radica en la alteracin provocada por losprocedimientos de muestreo, transporte, almacenamiento y

ensaye.

Lasventajasde losprocedimientos de camporadican enel ensaye de un mayor volumen de suelo y que en algunoscasos la alteracin del suelo puede ser minimizada; suprincipal desventaja consiste en la dificultad para controlar

las condiciones de frontera y los bajos niveles dedeformacinque se pueden alcanzar.




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En relacin con la medicin de la presin de poro, convieneaclarar que dicha medicin se realiza en las fronteras delespcimen (cabeza y/o base) por lo tanto, si la permeabilidaddel espcimen permite la homogeneizacin instantneade lapresin de poro la medicin es confiable, como sucede en losmateriales granularespermeables, sin embargo, en materialesde baja permeabilidad, como los limos y las arcillas, en dondela homogeneizacin instantnea es imposible, la medicin de lapresin de poro en las fronteras, cabezal o base de la muestra,no representa la presin de poro promedio en el espcimen.

Adems, debe tenerse presente que la presin de porogenerada por la aplicacin de carga cclica depende entre otros

factores: del tipo de suelo, de la magnitud de la cargao de lavelocidad de deformacin, de la permeabilidad del suelo, yde las condiciones de drenajedel ensaye.




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2. EFECTO DE LA VELOCIDAD DEAPLICACIN DE CARGA




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La evidencia experimental indica que la resistencia al

esfuerzo cortante de los suelos se incrementa con el

aumento de la velocidad de aplicacin de la carga, con

relacin a la resistencia determinada por los procedimientos

normales de la mecnica de suelos esttica. Los resultados se

pueden expresar mediante la siguiente ecuacin:

[mx]dinmica= [mx]esttica (FVC) [1]

en donde (FVC) es un factor de velocidad de aplicacin de

carga.




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Graham et al. (1983) demostraron la influencia de la

velocidad de deformacin sobre la curvas de fluencia de la

arcilla de Belfast (Figura 1).

En tanto que Daz-Rodrguez et al. (2009) estudiaron elefecto de la velocidad de deformacin en los suelos

volcnico-lacustres de la ciudad de Mxico (CM).

Investigaron velocidades de deformacin 1, 5, 100 y 800

%/h, tanto en la rama estructurada (OC) como en la rama

normalmente consolidada (NC). Concluyeron que los

suelos de la CM exhiben grandes efectos de la velocidad

de deformacin, del orden de 214%en la rama OC y del

40%en la rama NC (Figura 2).


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Figura 1Effect of strain rate on yield envelopes, Belfast clay

(Grahamet al., 1983)




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Figura 2Relationship of normalized undrained shear strength vs strain rate for

triaxial compression tests on Mexico City soil(Daz-Rodrguezet al. 2009)




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Figura 2BStress-strain curves for triaxial compression tests on Mexico City soils

(Daz-Rodrguezet al. 2009)




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Figura 2CMode of failure for triaxial compression tests on Mexico City soil

(from visual observations at the time of failure) (Daz-Rodrguezet al. 2009)




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3. EFECTO DE LA CARGA REPETIDA




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Cuando se induce una carga cclica bien se trate de sismos,trnsito de vehculos, vibracin de maquinaria, etc., a unamasa de suelo, se provocan cambios en el estado deesfuerzos de dicha masa, lo cual puede causar unincremento tanto de la deformacincomo de la presin deporo.

La Figura 3a ilustra un ensaye tpico de carga repetida. Elespcimen de suelo se sujeta a un esfuerzo, , bajocondiciones estticas. Posteriormente, se somete a unesfuerzo cclico de magnitud, , y periodo, T. La evolucin de

la deformacin se presenta en la Figura 3b en la que seaprecia que la deformacin se incrementa con el nmero deciclos de aplicacin de carga.


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Figura 3Efecto del esfuerzo repetido




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El resultado final del ensaye depender del tipo de suelo, de lamagnitud del esfuerzo esttico, , de la magnitud del esfuerzocclico, , y del nmero de ciclos. En general, si la suma de

es muy pequea comparada con la resistencia esttica,la deformacin del suelo, despus de un cierto nmero deciclos, se aproximar a un estado de equilibrio y la deformacinno se incrementar ms, (Figura 4a). Por otro lado, si la suma

de esfuerzos es cercana a la resistencia esttica, ladeformacin se incrementar ciclo a ciclo y ocurrir la falla porcarga cclica (Figura 4c).

Las Figuras 5 y 6ilustran los resultados obtenidos por Seed andChan(1966), al utilizar una cmara triaxial cclica, las variables

estudiadas fueron: la magnitud del esfuerzo inicial esttico, ,la magnitud del esfuerzo cclico, y el nmero de ciclos, N.


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Caracterizacin dinmica de los suelosEnsayos de campo y laboratorio

Figura 4Efecto de la amplitud del

esfuerzo cclico



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Figura 5Resistencia bajo carga cclica (Seed and Chan, 1966)


1 10 100 1,000

N

f

c = constante

1

0.10

0.20A B C

(a) (b)

A B C

=p ,u 0.8 ,u 0.6 u

p

(c) (d)

1 10 100 1,000 N

1.0

2.0

Esfuerzo estticonulo

=p u =p

=p

0.8 u0.6 u

1

32

AB

CEsfuerzocclico,

p



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Figura 6Combinacin de esfuerzos estticos y cclicos (Seed and Chan, 1966)


Esfuerzo esttico,

0

E

sfuerzo

cclico,

0.5 1.0

0

p p

0.5 u 0.5 u

2 3

p

0.5

1.0

1.5

2.0

N=1

10

100

(b)(a)



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4. ENSAYOS DE LABORATORIO




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La investigacin experimental de las propiedades dinmicas de

los suelos es un tema de gran inters, ya que puede afirmarse

que las caractersticas esfuerzo-deformacin de los suelos

sometidos a cargas dinmicas son diferentes de aquellasobtenidas bajo cargas estticas, por tanto, ha sido necesario

desarrollar equipo, conceptos y procedimientos que nos

permitan medir el comportamiento de los suelos en condiciones

lo ms cercanasposibles a las que estarn sometidos en una

obra de ingeniera.


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Sin embargo, debe reconocerse que la determinacin de larespuesta dinmica de los suelos est dominada por lasvicisitudes de los procedimientos de medicin y/o deensaye.

Puede afirmarse que no existe un aparato, procedimiento otcnica nica que cubra todo el rango de deformacin deinters de la dinmica de suelos, por tanto para cadaaplicacin deber escogerse el tipo de ensaye msapropiado.

En la Tabla 1, se muestra en forma aproximada los rangos ycaractersticas de los distintos ensayes de laboratorio.


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Tabla 1 Rango y caractersticas de ensayos de laboratorio

Rango de

frecuencia

Rango de

deformacinangular

Rango de velocidad de

deformacin angular

f(Hertz) g(%) g(1/s)

Triaxial cclico (L) 0.2 - 5 10-2

- 5 0.8 x 10-4

- 1

Corte simple cclico (L) 0.2 -5 10-2

- 5 0.8 x 10-4

- 1

Torsin cclica (L) 0.2 - 5 10-2

- 5 0.8 x 10-4

- 1

Columna resonante (L) 50 - 200 10-4

- 10-2

2 x 10-4

- 8 x 10-2

Refraccin ssmica ( C ) 20 - 100 10-4

- 10-3

0.8 x 10-4

- 0.4 x 10-2

Cross-hole, Down-hole y Up-hole ( C ) 20 - 100 10-4 - 10-3 0.8 x 10-4- 0.4 x 10-2

Vibracin forzada en bloques o placas ( C )


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4.1 Ensaye de pulsos ultrasnicos


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Este ensaye consiste en generar, mediante cristalespiezoelctricos, ondas ultrasnicas ya sealongitudinales o de torsin y medir el tiempo, t,necesario para la propagacin de un pulso elsticogenerado, a travs del espcimen de suelo delongitud, L. Lo anterior permite conocer la velocidad

de propagacin del pulso generado en elespcimen en estudio.

Si el pulso aplicado es de compresin, la velocidad, vc, seobtiene mediante

y [2] =/ 2 =


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El mdulo equivalente de Young,Eeq, se obtiene

mediante

[3]

Si el pulso aplicado es de torsin, la velocidad, vs, se

obtiene mediante:

[4]

El mdulo al esfuerzo cortante, G, se obtiene mediante:

[5]

=2 =2/

2

=/

=2 =2/

2


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Figura 7Esquema del equipo utilizado en el ensaye de pulsos ultrasnicos

(Lawrence, 1963)




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4.2 Ensaye con elementosbender


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Los elementos bender(EB), desarrollados porShirley and Hampton (1977), consisten de dosplacas de piezocermica, colocados entreelectrodos, como se indica en la Figura 8.

Si la polarizacin de las dos placas se realiza enla direccin del campo elctrico, causar que unaplaca se expanda y la otra se contraiga, lo anteriorocasionar un movimiento de flexin. Si lapolarizacin se invierte se producir un flexin delelemento en la direccin opuesta.


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Figura 8Elementos Bender



l = 12 mm

h =6 mmt = 1 mm


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El valor de Gmxse obtiene mediante la expresin:

[6]

Daz-Rodrguez et al. (2001) usaron BE parapropagar ondas de cortante. en especmenes delsuelo de la ciudad de Mxico, durante la fase deconsolidacin y falla. Los resultaron mostraron el

efecto del estado de esfuerzos sobre la velocidad depropagacin.

=2


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Figura 9Preparacin y colocacin de elementos Bender




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Figura 10Esquema del uso de elementos Bender

Elementoemisor

Cmara deconfinamiento

Espcimen de

suelo

Elemento

receptor

Procesode datos




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4.3 Ensaye de columna resonante


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Este ensaye consiste en someter un espcimencilndrico de suelo a un estado de vibracin forzada

longitudinal o torsional, al variar la frecuencia de

excitacin se logra conocer la frecuencia de

resonancia del espcimen.

El mdulo correspondiente ( ) se calcula con los

datos de la frecuencia de resonancia, fn, la geometra

del espcimen y las caractersticas del equipo.


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Figura 11Esquema de una columna resonante

Tapa de la

cmara

Transductor de

deformacin axial (LVDT)

Carcaza

Cabezal

Soporte

Drenaje del

espcimenCilindro de lucita

Base de la

cmara

Soporte del

LVDT

Bobina

Espcimen

de suelo




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El mdulo G se calcula a partir de la frecuencia deresonancia , utilizando las expresiones obtenidaspor Hardin (1965) de la teora de vibracioneslineales de un cuerpo cilndrico.

[7]

En donde I es el momento polar de inercia delespcimen, Io es el momento polar de inercia de lacabeza, y h es la altura del espcimen. Se despeja

y se sustituye en:[8]

0 =

tan

=


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La fraccin del amortiguamiento se calcula a partirdel registro de vibracin libre, obtenido alsuspender la corriente elctrica de excitacin yaplicando la expresin del decremento logartmico.

Los principales factores que afectan los resultadosde la prueba son: la amplitud de deformacinangular, , la presin de confinamiento, y larelacin de vacos, e. Otros factores tales como:la temperatura y el tiempo afectan los resultadosde la prueba pero de una manera menosimportante.


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La Figura 12muestra los resultados obtenidos porAnderson and

Richard (1976), la Figura 13 ensea el efecto del ndice de

plasticidad sobre el mdulo G normalizado (Zenet al., 1984). El

efecto de la relacin de vacos sobre se muestra en la Figura 14

(Sunet al,. 1988).

Daz-Rodrguez (1992) estudi el suelo de la ciudad de Mxico

en un amplio rango de deformaciones. La curva de reduccin del

mdulo G con la amplitud de deformacin, g , normalizada

respecto al mdulo Gmx para pequeas deformaciones y la

variacin del amortiguamiento se presenta en la Figura 15. En

dicha figura se observa que el mdulo G es aproximadamente

constante para deformaciones hasta de 0.1%, lo cual implica uncomportamiento lineal bastante grande en comparacin con los

resultados publicados en la literatura especializada para otros

suelos arcillosos.


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Figura 12Comparison of normalized modulus reduction relationships for clays

(Anderson and Richart, 1976)




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Figura 13Normalized modulus reduction relationship for laboratory preapred

clay samples with different plasticity index (Zenet al., 1984)




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Figura 14Normalized modulus reduction relationship for clays with differentvoid ratios (Sunet al., 1988)




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Figure 15Strain dependent shear modulus and damping ratio (Daz-Rodrguez, 1992)




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Daz-Rodrguez y Lpez-Flores (1999) realizaron un extenso

programa de ensayes utilizando columna resonante. Los

esfuerzos de consolidacin isotrpica cubrieron un amplio

rango, desde esfuerzos muy pequeos (c y) hasta

esfuerzos que superaron el esfuerzo de fluencia (cy). La

Figura 16 presenta la variacin del mdulo Gmx para unasecuencia tpica de ensaye. Los datos se ajustaron a una

relacin del tipo:

Gmx= c [9]


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Figura 16Low strain stiffness and damping Alameda Park (Depth 17.4 m) Mexico City(Diaz-Rodriguez and Santamarina, 2001).

2.4

2.4

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

log (Isotropic stress, , kPa)

log (Isotropic stress, , kPa)

Dampingratio,

,(%)

3.9

3.7

3.5

3.3

2.0

3.0

1.0

Log(G

,kPa)

max

(a)

(b)

= 0.27

= 0.73

y

y




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Donde y son constantes de regresin. Se identifican

dos regiones:

Para esfuerzos cy, = 0.27

Para esfuerzos c> y, = 0.73



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Donde y son constantes de regresin. Se identifican

dos regiones:





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Donde y son constantes de regresin. Se identifican dos

regiones:



Como referencia, se tienen los siguientes valores:

Para arenas densas no cementadas 0.4

Para arenas sueltas no cementadas 0.5

Caolinita NC 0.6

Bentonita NC 0.85



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Estos datos muestran que:

es mayoren suelos finos, donde los efectos de la doble capason importantes

es mayorpara materiales sueltos

es menor en suelos que han experimentado diagnesis,

cementacino sobreconsolidacin (Cascade and Santamarina1996; Santamarina and Aloufi1999).

Las primeras dos observaciones explican el valor de = 0.73obtenido en la rama desestructurada donde c> y. La terceraobservacin explica el valor de = 0.27 en la zona estructurada

donde c< y.



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4.4 Ensaye triaxial cclico



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El ensaye triaxial cclico tiene como finalidad investigar elcomportamiento esfuerzo-deformacin y la resistencia alesfuerzo cortante de un espcimen cilndrico de suelo,sometido a esfuerzos axiales cclicos.

La Figura 18muestra un esquema de una cmara triaxialcclica. Consiste de una cmara de confinamiento, unmarco de carga con un pistn neumtico para aplicaresfuerzos cclicos, tres transductores, uno para medir elesfuerzo aplicado, otro para medir la deformacin axial(LVDT) y un tercero para medir la presin de poro

desarrollada durante el ensayo.



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Figura 17Representacin del estado de esfuerzos para un elemento

de suelo debajo de la cimentacin





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Figura 18Esquema de una cmara triaxial cclica

Transductorde carga

axial

Transductor dedeformacinaxial

Pistn neumtico

Cmaratriaxial

Vstagode carga

Especimende suelo

Vlvulas de drenajedel espcimen

Cople de unin

Marco de carga

Presinconfinante

Cilindro delucita





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La Figura 19exhibe los registrosde la variacin de:

la carga axial aplicada, d , la deformacin axial

producida, ea, y la presin de poro, Du , generada

durante la aplicacin del esfuerzo cclico.

La Figura 20muestra un lazo de histresistpico de

un ensaye triaxial cclico, en la figura se presenta el

estado inicial de consolidacin del espcimen la

variacin del esfuerzo axial cclico, , y la

variacin de la deformacin axial cclica, ea.



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Figura 19Esquema del registrode un ensaye triaxial cclico

Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

Esfuerzo axial ( )d 0

0

0

d

d Tiempo

eaeaDeformacin axial (e )a

Presin de poro (DU)





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Figura 20Lazo de histresisy definiciones

0

d

0Deformacin

inicial

BD

A

d

T

1

Eeq

Esfuerzo

inicial

Deformacin

Esfuerzo

A__________=

Lazo

4A Tringulo





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El mdulo equivalente de Young, Eeq, se determina a partirde la pendiente de la lnea que une los puntos extremosdel lazo de histresis. La relacin de amortiguamientocritico , se calcula usando la expresin:

[10]

Las Figuras 21 a la 23 ilustran algunos resultadosobtenidos con cmara triaxial cclica. La Figura 24muestralos tipos ms comunes de ensayos triaxiales cclicos.

=1

4



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Figura 21 Results of the co-operative tests in the US on the cyclicstrength of sand (Silveret al., 1976)





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Figura 22Testing program scheme and definitions (Diaz-Rodrguez, 1989)



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Figura 24 Schematic illustration of records

of strain and stress controlled uniform

cyclic loading tests




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4.5 Ensaye de corte simple cclico



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El ensaye de corte simple cclico tiene como finalidad investigar el

comportamiento esfuerzo-deformacin y la resistencia al esfuerzo cortantede una muestra de suelo sometido a una condicin de esfuerzos de cortesimple (Figura 25).

Finn and Vaid (1977) desarrollaron un aparato de corte simple cclico paraensayes a volumen constante (Figura 28), manteniendo la altura delespcimen constante durante la aplicacin del esfuerzo cclico, este

procedimiento se usa actualmente debido a las ventajas que ofrece, como lade no requerir el uso de contrapresin para la saturacin del espcimen y lade medir la presin de poro en forma indirecta, ya que sta se infiere con elcambio del esfuerzo vertical (Figura 29).

Daz-Rodrguez(1993) estudio el comportamiento del suelo de la ciudad deMxico, mediante un aparato de corte simple cclico tipo NGI. Los ensayes

definieron dos patrones de comportamiento (Figura 30). La Figura 31ilustraun forma de determinar la relacin umbral de esfuerzos cclicos, ,a travs del trabajo histertico acumulado.

=



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Figura 25Condiciones de corte simple

Superficie del

terreno

Nivel fretico

v

vk 0

v = Esfuerzo vertical efectivo inicial

k 0 = coeficiente de empuje

de tierras en reposo

Capa de suelo

a) Localizacin del elemento y esfuerzos estticos

b) Esfuerzos cclicos inducidos en el elemento

t hv t hv

(1) (2)




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Figura 26NGIcircular simple shear apparatus (Airey and Wood, 1987)




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Figura 27Tipos de soporte lateral del espcimen de suelo

Cabeza

Esfuerzo

vertical

Anillos

de tefln

Esfuerzo

cortante

Base

Membrana

reforzada conalambre




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Figura 28Aparato de corte simple cclico de volumen constante

Espcimen de

suelo

Transductor

de carga

Postes

Placa

de

reaccin

Perno de

carga

Transductor

de presin



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Figura 30Cyclic shear strain vs load cycle (Daz-Rodrguez, 1993)




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Figura 31Evolucin del trabajo histertico (Daz-Rodrguez, 1993)




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4.6 Ensaye de torsin cclica



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Este ensaye se desarroll con la finalidad de superaralgunas de las limitaciones asociadas al ensayo de

corte simple. Ishihara and Li (1972) desarrollaron un

equipo para ensayar especmenes cilndrico slidos

de suelos sometidos a torsin cclica, en cambio

Iwasaki, Tatsuoka and Takagi(1978) lo hicieron para

el ensaye de cilindros huecos (Figura 32). Dobry et al.

(1985) desarrollaron un equipo para efectuar ensayos

de torsin con deformacin controlada con gran

efectividad para investigar las caractersticas delicuacin de los suelos granulares.



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Figura 32Equipo de torsin cclica (Iwasaki, Tatsuoka y Takagi, 1978)

6 cm

10cm2

Vstago decarga

Rodamiento

Transductor

Contrapeso

Piedras porosas

Espcimen desuelo

Lneas depresin

Pedestal

Cilindro de lucita

Marco de carga

Bureta

Bureta




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4.7 Ensaye en mesa vibradora



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Una mesa vibradora es una instalacin que permiteefectuar ensayes dinmicos de modelos o componentes, yasea a escala naturalo a escala reducida.

Una mesa vibradora constaprincipalmente de (Figura 33):

Una navede grandes dimensiones con una gra viajera Una plataforma rgidasobre la cual se fija o se construye

el modelo o componente a ensayar. Sus dimensionesvaran desde unos 40 cm hasta varios 20 m.

Un sistema de soportede la plataforma, que puede ser a

base de ruedas metlicas, pedestales doblementearticulados, rodamientos de agujas o aire comprimido.



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Figura 33Esquema de una instalacin para mesa vibradora

Actuadores

horizontales

Plataforma

Modelo

de

ensayo

Pedestal




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Un sistema excitador o actuador, encargado de aplicar

a la plataforma el tipo de excitacin, (impacto,peridica o aleatoria) que el ensaye requiera.

Un sistema de control electrnico equipado con: uncontrolador, un selector de programas, unacondicionador de programas y un servocontrolador.

La funcin principal de este ltimo es comparar unaseal de entrada con una de retroalimentacin ygenerar una seal de error que tiene la magnitud y lapolaridad requeridas para corregir la seal deseada.

Un sistema de captura de datos, compuestobsicamente de transductores, acondicionadores de

seal y dispositivos de registro de datos. Sistemas auxiliares.



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Figura 34Ensayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)

160 cm

450 cm450 cm

Ruedas

Seccin longitudinal Secc in transversal

Cimentacin

Vibrador de masasgiratorias

Planta




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Figura 34BEnsayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)




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Figura 34CEnsayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)




86/128

Figura 34DEnsayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)




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Figura 34E Ensayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)




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Figura 35Frecuency response

curves (Diaz-Rodriguez, 1984)




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RESULTADOS:

En el Modelo

Armnica 19.6 Hz (1.66 Hz)

V. Libre 20.1 Hz (1.70 Hz)

Aleatoria 20.0 Hz (1.69Hz)

En el Prototipo

V. Armnica 1.64Hz




90/128

Figura 36Mesa vibradora (Diaz-Rodrguez y Del Valle, 1977)




91/128

Figura 37 3D Full-Scale Earthquake Testing Facility (NIED)




92/128


4.8 Centrifuga



93/128


Una centrifugaes una instalacin que permiteensayar modelos a escala reducida y

someterlos a condiciones de hasta 200 g, para

reproducir los efectos de peso propio y

relacionarlos con el prototipo a travs de lasleyes de similitud. Una revisin histrica del

desarrollo de los ensayos en centrfuga se

encuentra en Craig(1995).



94/128

Figura 38Esquema de una instalacin centrfuga

Eje

PlataformaModelo

Motoreselctricos

Contrapeso




95/128

5. ENSAYOS DE CAMPO




96/128


5.1 Ensayo de ondas de superficie



97/128


Este ensayo consiste en generarun estado establecido de

ondas Rayleigh de una frecuencia conocida, y medir su

longitud de onda .

La velocidad de onda Rayleigh, VR, se puede calcular

mediante la expresin:

[11]

La velocidad de la onda Rayleigh es aproximadamente

igual a la velocidad de la onda de esfuerzo cortante, Vs, por

lo tanto se puede escribir:

[12]



98/128

Figura 39Ensayo de vibracin verticalde la superficie del terreno

Gefonos

sen(wt)

AB B2

Q0

B2

VRLR2

LR2

R

Vibrador




99/128

Figura 40Esquema para la medicin de la longitud de onda




100/128


5.2 Ensaye de refraccin ssmica



101/128


Este ensaye consiste en la medicin de la velocidad

de propagacin de las ondas elsticasgeneradas en

un punto de perturbacin (foco), por un impacto o

explosin en la superficie del terreno. La

perturbacin se puede provocar mediante explosivos(normalmente dinamitas gelatinosas) o mediante

golpes con un martillo sobre una placa de acero que

se coloca sobre la superficie del terreno.



102/128

Figura 41Esquema del ensayo de refraccin ssmica

d

Distancia al punto de disparo, m

Tiempode

llegada,s

t 2

t 1

x 1

x2

1__v3

Pendiente=

1__v2

1__v 1

Punto de disparo

Angulo crtico deincidencia

Gefonos

11

Angulo crtico deincidencia

22

A D

B C

1

d2

d3

Estrato v 22

Estrato v 33

Estrato v 11

0




103/128


Para obtener la curva distancia versustiempode llegada,

se dibujan en el eje de las abscisas las distancias entrelos gefonos; sobre ellas se dibuja verticalmente, como

ordenadas, el tiempo transcurrido entre el instante del

impacto y el instante de llegada al gefono

correspondiente.

Al unir los puntos se obtendr un conjunto de lneas

rectas que se cortan. Los puntos de interseccin indican

diferencia de velocidad de propagacin de ondas

elsticas, cuya magnitud se obtiene de la pendiente del

tramo recto correspondiente. Las abscisas de los puntosde interseccin estn relacionadas directamente con el

espesor de las distintas capas de suelo.



104/128

Figura 42Registro de un ensayo de refraccin ssmica




105/128


La profundidad de exploracin con este mtodo esaproximadamente 10 veces la longitud del tendido

total de gefonos. Para obtener buenos resultados de

la aplicacin de este ensaye es necesario que exista

contraste entre las propiedades de las capas de

suelo investigadas, el contraste bsico consiste en

que las velocidades de propagacin de las distintas

capas aumenten con la profundidad. Con este

ensaye se puede perder la deteccin de una capa de

suelo blando, si sta se encuentra entre dos capas demayor velocidad de propagacin.



106/128


VV

V-Vd2+

V

x=t

21

2

1

2

21

2

2

VV

V-Vd2=t

21

2

1

2

2

11

V+V

V-V

2

x=d

12

121

1

V+V

V-V

2

x+d

6

5=d

23

232

12

V+V

V-V

2

x+d

4

3+d

6

1=d

34

343

213

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]



107/128


5.3 Ensayes up-hole y down-hole



108/128


Estos ensayes estn basados en la medicin de la

propagacin de ondas ssmicasen los suelos, provocadaspor una fuentede perturbacin, F, y registradas en un punto,

R, denominado receptor. Para llevar a cabo los ensayes es

necesaria la realizacin de un sondeo.

El procedimiento down-holeconsiste en perforar un sondeode 7.6 cm de dimetro hasta la profundidad de exploracin

requerida y proceder a colocar un ademe poco rgido. Se

cuela un pequeo bloque de concreto de

aproximadamente 0.6 m de lado, como se muestra en la

Figura 44.



109/128

Figura 43Esquema de los ensayos up-hole y down-hole

(Hoar and Stokoe, 1978)

Osciloscopio

Entrada

a) Up-hole b) Down-hole

Generacin deondas decuerpo

F2

F1

Osciloscopio

Entrada

Perturbacin(fuente)

R

R

LechadaF= fuente

R=receptor

Martillo

AdemeGefono(receptor)


0.6 mDado de

t l dSondeo



110/128

Figura 44Esquema del ensayo down-hole (Hoar and Stokoe,1978)

Osciloscopio

Entrada

6.1 m

0.6 m

concreto colado

ngulo de aceroembebido en

concreto

Sondeoreceptor

a) Planta

b) Seccintransversal

Disparador

Impulso Disparadorelctrico

0.6 m

Transductor de ve locidad3-D acuado

Ademe

Lechada

Trayecto

riadeon

dasde

cuerpo

Generacin deondas decuerpo

div

Direccin del impulso

Salidadel

receptor

Tiempo

Norte

Sur

Norte

Sur

Receptor horizontal No 1Sensibilidad = 20 mV/div

Receptor horizontal No 2Sensibilidad = 20 mV/div

P S

c) Registro de llegada usando dos receptoresorientados perpendicularmante uno del otro

110

Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo



111/128

Se coloca a la profundidad, z, un gefono de tres

componentes dentro del sondeo y se acua contra elademe. El impulso se logra mediante el golpe, con un

martillo de 4.5 Kg de peso al bloque de concreto. El

impacto genera ondas de cuerpo. En un osciloscopio

con memoria, se registra la traza del impacto y las trazas

de llegada de las ondas del gefono. El procedimientose repite de cada 1.5 a 3 m, hasta la profundidad final.

El rango de deformaciones de este tipo de ensayes

est comprendido entre 10-1 % y 10-3 %. La principal

desventaja de los ensayes down-hole y up-hole es larpida atenuacin de la energa con la profundidad.




112/128


5.4 Ensaye cross-hole



113/128

El ensaye ssmico cross-holeo de sondeos en paralelo,

es til para la medicin de la variacin del mdulo alesfuerzo cortante, G, con la profundidad. Mediante esteensaye se mide la velocidad de propagacin de ondasde cuerpo (P o S) para puntos colocados a la mismaprofundidad (Figura 45).

Para llevar a cabo el ensaye es necesario la realizacinde un mnimo de dos sondeos, uno de los cuales seutiliza como sondeo fuente y el otro como sondeoreceptor. Los sondeos se deben ademar varios dasantes de la realizacin del ensaye con objeto de lograrun buen contacto entre la pared exterior del ademe y elsuelo. El material del ademe puede ser aluminio o

plstico. El dimetro del ademe no debe ser menor de7.6 cm para permitir la colocacin de gefonos, loscuales debern acuarse contra el ademe.


Sondeo

receptores



114/128

Figura 45Esquema del ensayo cross-hole (Hoar and Stokoe,1978)

Osciloscopio

Entrada

a) Planta

Disparador

Impulso vertical

Transductor de

velocidad vertical

Transductor de velocidad

acuado

Ademe

Lechada

Generacin de

ondas de cuerpo

receptores

3.7 m

Trayectoriade ondas

de cuerpo

3.7 m 2.1 m

Sondeo fuente

b) Seccin transversal

div

Direccin del impulso

Salida del

receptor

Tiempo

Receptor vertical No 1

Sensitividad = 5 mV/div

Receptor horizontal No 3

Sensitividad = 5 mV/div

P S

c) Registro de llegada usando dos receptores

Profundidad =

Velocidad de

barrido = 5 mV/div

P S

Intervalo de llegada

de ondas de c ortante




115/128

La Figura 46ilustra un ensaye cross-hole en el

que se puede variar el nivel de deformacin

variando la energa que se aplica mediante el

impacto de un martillo de 68 kg de peso, en un

anclaje expandible fijo a las paredes del sondeofuente (Milleret al. 1975). Este tipo de ensaye

tiene la ventaja de generar predominantemente

ondas de cortante.




116/128

Figura 46Representacin esquemtica de un ensayo de impulso in-situ

(Miller et al., 1975)116




117/128

117


5.5 Ensayo de Anlisis Espectral de

Ondas de Superficie (SASW)



118/128

El mtodo SASW (Spectral Analysis of Surface Waves) se

basa en la propagacin de ondas de superficie (Rayleigh)para obtener las propiedades dinmicas de los suelos(Jones 1958). Es un mtodo no destructivo, que norequiere la realizacin de sondeos, la fuente y losreceptores se localizan en la superficie.

El mtodo SASW usa las caractersticas dispersivasde laondas Rayleigh para determinar las variaciones de lavelocidad de la onda de cortante (rigidez) de los sistemasestratificados con la profundidad.

La dispersin de ondases el fenmeno de propagacin deondas de acuerdo con su longitud de onda, esto es, las

ondas Rayleigh de diferentes frecuencias se propagan condiferentes velocidades.

118




119/128

Las ondas Rayleigh de baja frecuencia(longitud de onda

larga) penetran ms que las ondas Rayleigh de altafrecuencia (longitud de onda corta). La velocidad de las

ondas aumenta con el esfuerzo de confinamiento, esto

es, con la profundidad. Este mtodo puede definir los

mdulos G y los espesores de un depsito estratificado.

El mtodo SASWconsiste bsicamente de tres etapas:

(1) generar ondas Rayleigh directamente en el sitio de

estudio y capturar los datos en campo; (2) la obtencin

de la curva de dispersin de las ondas Rayleigh; y (3)

realizar la inversin de la curva de dispersin, paraobtener el perfil de velocidades del medio estratificado.

119




120/128

Procedimiento:

Etapa 1. El mtodo SASW tradicional, usa una fuente impulsiva tal

como un martillo o un vibrador mecnico o electromagntico

que opere en un rango de frecuencias de 5 a 200 Hz. Las

ondas Rayleigh se registran en dos receptores (gefonos)

localizados a una distancia S y S + X de la fuente (Figura 47).

Se repite el proceso invirtiendo la posicin de la fuente y

variando la distancia S (Figura 48), el resultado de combinar

varias mediciones proporciona la curva de dispersin del sitio.

Las seales son digitalizadas y almacenadas en un analizador

de seales (un analizador espectral).

120




121/128

Figura 47 Scheme of experimental arrangement for SASW test

(Gucunski and Woods, 1991)121




122/128

Etapa 2. Para le obtencin de la curva de dispersin, se utilizanlas seales almacenadas, se obtiene la transformada deFourier de cada seal y se obtiene el espectro depotencia cruzado (cross power spectrum, CPS).

[18]

La magnitud del CPS es una estimacin de lasfrecuencias comunes en los dos registros. Se obtiene elpromedio de mltiples ensayos para mejorar laestimacin del CPS. El ngulo de fase del CPS se usapara determinar el tiempo de llegada entre los dosreceptores.

122




123/128

La magnitud del CPSes una estimacin de las frecuencias

comunes en los dos registros. Se obtiene el promedio de

mltiples ensayos para mejorar la estimacin del CPS. El

ngulo de fase del CPS se usa para determinar el tiempo

de llegada entre los dos receptores.

[19]

donde q(f) es la diferencia de fase en radianes y f es la

frecuencia en Hz. La velocidad de fase se calcula

mediante:

[20]

123




124/128

Las longitudes de ondade las velocidades de fase de la

onda R se calculan mediante:[21]

El resultado es una curva de dispersin experimental entre

receptores, El procedimiento se repite para diferentes

posiciones de la fuente y de la separacin de receptores.

El resultado es una curva de dispersin del sitio (Figura49).

Etapa 3. A partir de la curva de dispersin del sitio, se obtiene el

perfil de velocidade de onda mediante un proceso de

inversin (Figura 50). Se recomienda al lector lassiguientes referencias: Nazarian (1984); Rix, G.J. (1988);

Stokoe et al. (1989).

124




125/128

Figura 48Outcomes array for use in themethod SASW

125




126/128

Figura 49 Curva de dispersindel sitio

126




127/128

Figura 50 Perfil de velocidad de onda de cortante

127




128/128

GRACIAS

Documents

1 - Caracterización dinámica de suelos - Díaz-Rodríguez