Tesis COHESION EFECTIVA DEL PAMPEANO MEDIO

Informe de avance N 2

Gastn Quaglia Laboratorio de Mecnica de Suelos Facultad de Ingeniera - UBA

1 INTRODUCCION

Este informe rene el trabajo de investigacin realizado en el LMS (Laboratorio de Mecnica de Suelos) entre Agosto y Diciembre de 2007.

Se ejecut una serie de ensayos triaxiales consolidados-drenados con ciclos escalonados de carga y descarga, en los cuales se midi el comportamiento del suelo a bajas deformaciones. En estos ensayos se utiliz el equipo construido durante la primera parte del ao 2007 (Quaglia 2007) y (Sages 2007), en particular se destaca la utilizacin de LDTs para la medicin de deformaciones locales.

El anlisis de las muestras se complet realizando ensayos de caracterizacin del suelo: medicin de contenido de humedad inicial y final, lmites lquido y plstico; y la determinacin del contenido de CaCO3, con un procedimiento que tambin es explicado en este informe.

2 EXTRACCION DE MUESTRAS

Las muestras inalteradas se obtuvieron en la excavacin de la caverna de la Estacin Corrientes correspondiente a la ampliacin de la lnea H de subterrneos (Sfriso 2007). Las muestras se extrajeron con la ayuda de una retroexcavadora en el frente de avance de la obra (Figuras 1 y 2).

Figura 1. Frente del tnel, lnea H.

Figura 2. Extraccin de muestra inalterada.

Se hincaron estticamente tubos de acero de 101mm de dimetro utilizando el peso propio de la retroexcavadora como elemento de reaccin. Una vez enterrados los tubos se removi el suelo circun-dante y se extrajeron los tubos con las muestras. Una vez retirados, los tubos se envolvieron con papel film para conservar el contenido de humedad in-situ y se trasladaron al laboratorio (Figura 3).

Figura 3. Procedimiento de extraccin de muestras inalteradas mediante hinca esttica de un tubo.

3 PREPARACIN DE LAS MUESTRAS

3.1 Saturacin

Las muestras se saturaron dentro de los moldes, utilizando un dispositivo fabricado en el laboratorio. Con la ayuda de una bomba de vaco se produce una succin en la cara superior de la muestra. Los moldes se colocan dentro de un recipiente lleno de agua; de esta manera la subpresin aplicada fuerza el ascenso del agua a travs de la muestra. Para evitar el desprendimiento de suelo de la muestra debido al elevado gradiente hidrulico se colocaron piedras porosas de 101mm de dimetro en ambas caras de las muestras (Figura 4).

Figura 4: Dispositivo para saturacin de muestras.

Terminado el procedimiento de saturacin las muestras fueron enrasadas a una altura de 127mm +/- 1mm y extradas de los tubos. Una vez colocadas dentro de la cmara triaxial se complet el proceso de saturacin haciendo circular agua por dentro de la muestra con un gradiente de presin controlado. El agua que se utiliz en ambos procedimientos para saturar las muestras fue previamente desaireada.

3.2 Caracterizacin de muestras

Para cada una de las seis muestras ensayadas se determinaron los siguientes parmetros: LL: limite liquido; LP: limite plstico; i: humedad inicial; f: humedad final; %CaCO3: porcentaje de carbonato de calcio presente en la muestra; d: Peso seco unitario (Tabla 1).

Tabla 1. Propiedades de las muestras ensayadas __________________________________________________ Fecha de i f d CaCO3 LL LP Extraccin % % KN/m3 % % % _________________________________________________ T1 25/09/07 32.0 32.8 13.60 2.10 56.5 33.3 T2 10/11/07 33.2 34.0 12.50 2.15 41.6 27.7 T3 16/11/07 37.7 38.8 14.10 0.96 45.0 28.0 T4 16/11/07 27.2 27.8 14.60 0.22 45.0 28.0 T5 22/11/07 27.0 28.0 14.40 0.37 40.0 n/a T6 22/11/07 27.5 28.7 14.20 0.27 40.0 n/a __________________________________________________

4 ENSAYOS TRIAXIALES

4.1 Descripcin

Sobre las muestras inalteradas se realizaron ensayos Consolidados-Drenados (CD) con cinco escalones de carga y descarga.

En cada ensayo se midi la carga aplicada con la celda de carga ubicada dentro de la cmara y las deformaciones locales (axiales y radiales) con LDTs (Figura 5). Todos los datos obtenidos durante el ensayo fueron registrados por el sistema de adquisicin de datos (DAQ) y representados en tiempo real en una computadora.

Figura 5: Muestra armada lista para el ensayo.

4.2 Procedimiento de ensayo

El ensayo sigui los siguientes pasos: 1 Se impuso un valor constante de presin de

confinamiento efectiva (s3) 2 Se impuso una carga axial monotnica hasta

obtener una relacin de tensiones sd/s3 = 1.0. 3 Se detuvo la carga y se descarg a la misma

velocidad hasta anular el esfuerzo desviador. 4 Se aument la presin de cmara y se repiti el

procedimiento. Se utiliz una velocidad de ensayo de 0.9mm/hr para todos los ensayos. El criterio utilizado para detener cada escaln tuvo como objetivo no daar la estructura interna de la muestra, en especial la cementacin entre las partculas de suelo. Solo se llev a rotura en el ltimo escaln.

5 SISTEMAS DE MEDICION Y ADQUISICION DE DATOS

El equipo utilizado para realizar las mediciones en los ensayos fue construido durante la primera parte del ao 2007 (Sages 2007).

Los LDTs se miden con un equipo VISHAT-P 3500 que pertenece al LAME y que permite conectar varios puentes de Wheatstone en forma simultnea. Este sistema fue reemplazado por un sistema de adquisicin de datos en tiempo real.

5.1 Actualizacin del equipo

Se desarroll un Sistema de Adquisicin de Datos (DA Q) controlado por PC. El DAQ se compr a la empresa EMANT y se import desde Singapur. Las tareas de instalacin, calibracin y programacin del DAQ se realizaron en conjunto con otros tesistas.

El hardware que se adquiri consta de tres mdulos de adquisicin EMANT 300 y de dos tipos de placas: una placa que permite la conexin y medicin de strain gauges (SAA), y otra que est provista de un medidor de presin (Figura 6).

Figura 6: Mdulo de adquisicin de datos.

El SAA mide strain gauges mediante el empleo de puentes de Wheatstone en sus distintas configu-raciones (cuarto puente, medio puente o puente completo). Del anlisis de las caractersticas de estas placas y la interaccin con la empresa proveedora se lleg a la conclusin de que era posible medir otros instrumentos que respondieran al mismo principio de funcionamiento (puentes de Wheatstone) como por ejemplo las celdas de carga, manmetros piezo-resistivos, etctera. Cada SAA lee hasta tres puentes completos.

5.2 Software del DAQ

El hardware que se adquiri tiene la posibilidad de utilizar programas diseados en entornos tales como LABVIEW, C#, C++, Visual Basic, etctera.

Emant provee a sus compradores algunos programas bsicos, con unas pocas lneas de cdigo en los distintos lenguajes para realizar operaciones elementales.

El diseo de software para los ensayos triaxiales se realizo en un en torno de Visual Basic para macros de Excel.

A partir de un macro bsico provisto por Emant, se modific el cdigo para utilizar varios mdulos simultneamente y que todos los datos obtenidos se referencien a un mismo archivo. Esto permiti un seguimiento en tiempo real del estado del ensayo, factor condicionante para el tipo de ensayo que se llev a cabo.

5.3 Utilizacin de DAQ en los ensayos triaxiales

El equipo utilizado en la realizacin de cada ensayo triaxial constaba de: tres (3) mdulos DAQ acoplados con un SAA cada uno.

Esto posibilit la conexin simultanea de dos LDTs longitudinales (placa 1), tres LDTs transversales (placa 2) y una celda de carga (placa 3). Si bien el equipo empleado representa 6 puentes completos, la necesidad de configurar independien-temente las tensiones de excitacin, resistencia propia, y gauge factor de cada uno de los dispositivos hicieron inevitable la utilizacin de tres mdulos en lugar de dos (Figura 7).Todo el sistema de medicin fue recalibrado con el DAQ previa a su utilizacin en los ensayos.

Figura 7: Conexin de DAQ para ensayos triaxiales.

6 RESULTADOS PRELIMINARES

6.1 Modulo de Young inicial

Se define como Eo al valor del modulo de Young medido al inicio de cada escaln de carga, para muy pequeas deformaciones. E0 puede ser considerado igual al modulo de recarga Eur, que puede obtenerse en un ciclo de descarga y recarga (Figura 8).

Los valores de E0 obtenidos corresponden a deformaciones del orden de ea=10

-5. Este orden de magnitud est vinculado a la precisin de los LDT. Para deformaciones del orden ea=10-6, los resultados mostraron una gran dispersin. Este

comportamiento puede estar asociado al desplaza-miento de las bisagras donde se apoyan los LDT axiales (Dasari, 1995).

Eo

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

0.0000 0 .0005 0.0010 0 .0 015 0.00 20 0 .0 025 0.0030 0 .003 5 0 .004 0a

d

(K

Pa

)

Eur

Figura 8: Definicin de E0 y Eur.

E0 cambia en cada escaln de carga, aumentando con el aumento de la presin de confinamiento. Se representan los valores obtenidos de E0 en funcin de la presin de confinamiento (Figura 9).

T1

T2

T3

T4

T5

T6

150 200 400300

150

200

100

250

300

350

[ ]0

MPa

E

[ ]3 KPa Figura 9. Modulo de Young inicial para bajas deformaciones en funcin de la presin de confinamiento.

El mejor ajuste de la ecuacin de Janbu para estos resultados es (Janbu 1963)

0.52

30 120 100

E MPaKPa

=

(1)

6.2 Modulo de Poisson a bajas deformaciones

El mdulo de Poisson cay en el rango 0.15 - 0.18 para todos los ensayos y escalones de carga.

No se encontr ninguna dependencia entre el valor del mdulo de Poisson y la presin de confinamiento.

6.3 Curva de reduccin del mdulo de Young

El modulo de Young secante se define para un punto cualquiera de la curva de tensin-deformacin como

s d aE = (2)

donde d = 1-3 es el esfuerzo desviador que se le aplica a la muestra y a es la deformacin especfica axial.

El modelo hiperblico (Hardin y Richart 1963) relaciona el mdulo secante Es con el mdulo inicial E0 a travs de

( )0 1s a rE E = + (3)

Donde r, deformacin de referencia, es un parmetro que se obtiene grficamente de la representacin grafica de Es/E0 vs. a; cuyo valor es la abscisa que corresponde a una relacin en ordenadas de Es/E0 = 1/2.

En la figura 10 se presentan los resultados obtenidos. Se observa que para los ensayos realizados r >10-3.

10-5

0.3

0.5

0.7

0.1

10-4 10-3

a

0

sE

E

r

Figura 10. Reduccin del modulo de Young en funcin de la deformacin axial a.

7 ENSAYOS QUIMICOS

Sobre cada una de las muestras ensayadas se realiz una medicin del contenido de carbonato de calcio.

7.1 Introduccin

El procedimiento utilizado para la determinacin del contenido de CaCO3 en una masa de suelo conocida consiste en la determinacin del volumen de CO2 que se desprende al agregar cido clorhdrico HCl(ac).

La reaccin qumica que se produce queda representada por la siguiente ecuacin.

CaCO3(s)+2 HCl(ac)CaCl2(ac)+H2O(l)+CO2(g) (4)

Dado que el nmero de moles de carbonato de calcio [nCaCO3(s)] es igual al nmero de moles de dixido de carbono [nCO2(g)], la determinacin de CaCO3 es inmediata a partir del volumen de gas desprendido. Para ello se utiliza la ecuacin de gases ideales:

p. VCO2 = NCO2 .R. T (5)

donde R = 0.082 atm.l/k.mol, p es la presin y T es la temperatura absoluta correspondientes al momento del ensayo y

nCaCO3(s) = nCO2(g) (6)

Conocido el nmero de moles y la masa molar [Mr] del carbonato de calcio (100 g/mol), se tiene

mCaCO3(s) = nCaCO3(s) . Mr (7)

% CaCO3 = mCaCO3/mtotal (8)

De esta manera se obtiene el porcentaje de carbonato de calcio presente en la muestra ensayada.

8 COMENTARIOS Y SIGUIENTE ETAPA

Los ensayos ejecutados en esta etapa tuvieron una serie de objetivos complementarios entre s: la calibracin de los equipos, la medicin de la dependencia del mdulo de Young respecto a la presin de confinamiento y una evaluacin preliminar del grado de alteracin de las muestras durante su extraccin.

A partir de los resultados disponibles se concluye que modelo de ensayo elegido no permite la medicin confiable de la cohesin efectiva de las muestras analizadas. Entre las principales desven-tajas se observa que la utilizacin de presiones de confinamiento efectivas mayores a 100 kPa hace despreciable la influencia de la cementacin sobre la resistencia del material. Se requiere una mayor cantidad de ensayos y una disminucin en la dispersin de los resultados para poder extraer algunas conclusiones al respecto.

La nueva serie de ensayos contar con una menor cantidad de escalones de carga y recarga con presio-nes de confinamiento considerablemente menores. Adems, se eliminar la medicin local de deforma-ciones para poder ensayar las muestras por fuera del rango de funcionamiento de estos instrumentos.

En algunos ensayos se medir el ngulo de friccin interna. Si la variacin de no es grande entre las distintas muestras, se ensayar algunas muestras hasta la falla en una nica etapa. De esta manera se espera obtener la cohesin efectiva por medicin directa a bajo confinamiento.

Se continuarn realizando los ensayos de caracterizacin de las muestras con el objetivo de encontrar una posible correlacin entre parmetros fsico-qumicos y el comportamiento mecnico.

9 CONCLUSIONES

En este informe de avance se present parte del programa experimental ejecutado durante el ltimo trimestre de 2007.

Se implement un sistema de adquisicin de datos en una PC que permiti la captura de informacin de ensayos triaxiales.

Se realizaron seis ensayos triaxiales sobre muestras inalteradas de la formacin Pampeano obtenidas de la traza en construccin de la lnea H de subterrneos en la ciudad de Buenos Aires. Tambin se caracterizaron las muestras con ensayos fsicos y qumicos.

Se observ una fuerte dependencia del mdulo de Young a bajas deformaciones respecto de la presin de confinamiento.

Se presentaron algunos comentarios y propuestas de trabajo para la siguiente etapa de la tesis.

REFERENCIAS

Dasari, G., Bolton, M., and Ng, C. (1995). Small strain measurement using modified LDTs, Report CUED/D-SOILS/TR275, Geotech. Group, Cambridge University.

Janbu, N. (1963). Soil compressibility as determines by oedometer and triaxial tests, Proc. Eur. Conf. Soil Mech. Found. Eng., Wiesbaden, I, 19-25.

Hardin, B. and F. Richart (1963). Elastic wave velocities in granular soils , JSMFD, ASCE, 89, SM1, 33-65.

Quaglia, G. (2007) Informe de avance N1: cohesin efectiva del pampeano medio.

Quaglia, G y Quintela, M (2007) determinacin del contenido de carbonato de calcio Informe. www.fi.uba.ar / materias / 6408 / investigacion.htm.

Sages, P. (2007) Informe de avance N1: Caracterizacin mecnica del Loess Pampeano compactado.

Sages, P. (2007) Informe de avance N2: Caracterizacin mecnica del Loees Pampeano compactado.

Sfriso, A. (2007). Procedimiento Constructivo de la Estacin Corrientes del Subterrneo de Buenos Aires, Argentina. VI Chilean Conf. Geot. Eng., 124-132.