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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
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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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Figura 4Efecto de la amplitud del
esfuerzo cclico
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Figura 5Resistencia bajo carga cclica (Seed and Chan, 1966)
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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)
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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
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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]
7/22/2019 1 - Caracterizacin dinmica de suelos - Daz-Rodrguez
50/128
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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50Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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51/128
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
51Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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52/128
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
52Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
53Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
Donde y son constantes de regresin. Se identifican dos
regiones:
Para esfuerzos cy, = 0.27
Para esfuerzos c> y, = 0.73
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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54/128
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
54Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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55/128
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
55Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
4.4 Ensaye triaxial cclico
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
56Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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57/128
Figura 17Representacin del estado de esfuerzos para un elemento
de suelo debajo de la cimentacin
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57Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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58/128
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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58Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
59Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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60Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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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61Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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62/128
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62Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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)
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
63Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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Figura 22Testing program scheme and definitions (Diaz-Rodrguez, 1989)
64Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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Figura 24 Schematic illustration of records
of strain and stress controlled uniform
cyclic loading tests
66Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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67Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
4.5 Ensaye de corte simple cclico
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68/128
68Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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)
69Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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Figura 26NGIcircular simple shear apparatus (Airey and Wood, 1987)
70Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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
71Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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
72Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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Figura 30Cyclic shear strain vs load cycle (Daz-Rodrguez, 1993)
74Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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Figura 31Evolucin del trabajo histertico (Daz-Rodrguez, 1993)
75Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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76Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
4.6 Ensaye de torsin cclica
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77Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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
78Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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79Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
4.7 Ensaye en mesa vibradora
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80Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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
81Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
7/22/2019 1 - Caracterizacin dinmica de suelos - Daz-Rodrguez
82/128
82Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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
83Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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Figura 34BEnsayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)
84Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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85/128
Figura 34CEnsayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)
85Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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86/128
Figura 34DEnsayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)
86Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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87/128
Figura 34E Ensayo de modelos de cortinas de enrocamiento en mesa vibradora(Daz-Rodrguez,1971)
87Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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88/128
Figura 35Frecuency response
curves (Diaz-Rodriguez, 1984)
88Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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
89Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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90/128
Figura 36Mesa vibradora (Diaz-Rodrguez y Del Valle, 1977)
90Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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91/128
Figura 37 3D Full-Scale Earthquake Testing Facility (NIED)
91Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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92/128
92Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
4.8 Centrifuga
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93/128
93Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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).
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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94/128
Figura 38Esquema de una instalacin centrfuga
Eje
PlataformaModelo
Motoreselctricos
Contrapeso
94Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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95/128
5. ENSAYOS DE CAMPO
95Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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96/128
96Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
5.1 Ensayo de ondas de superficie
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97/128
97Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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]
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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98/128
Figura 39Ensayo de vibracin verticalde la superficie del terreno
Gefonos
sen(wt)
AB B2
Q0
B2
VRLR2
LR2
R
Vibrador
98Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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99/128
Figura 40Esquema para la medicin de la longitud de onda
99Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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100/128
100Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
5.2 Ensaye de refraccin ssmica
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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101/128
101Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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.
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
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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
102Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
7/22/2019 1 - Caracterizacin dinmica de suelos - Daz-Rodrguez
103/128
103Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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.
CARACTERIZACIN DINMICA DE LOS SUELOS ENSAYOS DE CAMPO Y LABORATORIO
7/22/2019 1 - Caracterizacin dinmica de suelos - Daz-Rodrguez
104/128
Figura 42Registro de un ensayo de refraccin ssmica
104Daz-Rodrguez/UNAM/Salinas -Galindo
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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.
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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]
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5.3 Ensayes up-hole y down-hole
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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.
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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)
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0.6 mDado de
t l dSondeo
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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
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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.
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5.4 Ensaye cross-hole
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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.
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Sondeo
receptores
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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
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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.
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Figura 46Representacin esquemtica de un ensayo de impulso in-situ
(Miller et al., 1975)116
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5.5 Ensayo de Anlisis Espectral de
Ondas de Superficie (SASW)
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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.
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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.
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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).
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Figura 47 Scheme of experimental arrangement for SASW test
(Gucunski and Woods, 1991)121
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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.
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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
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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).
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Figura 48Outcomes array for use in themethod SASW
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Figura 49 Curva de dispersindel sitio
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Figura 50 Perfil de velocidad de onda de cortante
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GRACIAS