Luis Fernando Raygada Rojas

Ensayos para obtener parámetros dinámicos del suelo

Luis Fernando Raygada Rojas, Estudiante 10^mo Ciclo Ingeniería Civil¹

¹Estudiante-investigador del IIFIC, Tesista del Convenio GyM-Larcomar. E-mail: lraygada@gym.com.pe

Sinopsis: El suelo es un material muy heterogéneo cuyas propiedades difieren muchas veces de un lugar a otro, siendo estas ubicaciones relativamente cercanas; los parámetros nos caracterizan las propiedades intrínsecas de los suelos, gracias a estas particulares cualidades podemos clasificarlas y/o agrupar, y con ello estimar cual podría ser su comportamiento ante una exigencia externa de esfuerzo. Los ensayos nos ayudan a obtener los parámetros, muchas veces estos ensayos son hechos in-situ, es decir en el campo; o en el laboratorio. Los parámetros dinámicos nos ayudan a entender al suelo ante solicitaciones cíclicas o variables en el tiempo, el suelo ante estas cargas cíclicas responde dependiendo de su nivel de deformación. Las propiedades del suelo que nos interesan tienen influencia en la propagación de ondas y otros fenómenos de baja deformación, se incluyen la densidad, rigidez, relación de Poisson y amortiguamiento. Los distintos niveles de deformación cortante producen comportamientos elástico, elástico-plástico o falla del suelo; para cada uno de estos niveles de deformación existen diversos ensayos de campo y laboratorio apropiados, a su vez existen también modelos matemáticos que se ajustan en muchos casos a la realidad. En el siguiente informe hablaremos de los ensayos que nos permiten obtener los parámetros necesarios para entender el comportamiento dinámico del suelo; hablaremos de los ensayos de campo y de laboratorio con sus diferentes niveles de deformación.

Palabras clave: Ensayos; Parámetros Dinámicos; Módulo de Corte; Rigidez; Relación de Poisson; Amortiguamiento; Deformación; Densidad.

Introducción

La metodología de un estudio geotécnico comprende como primer paso la recopilación de información antigua, en la cual debemos recopilar información pasada como de geología, sismicidad, hidrología, topografía entre otros; luego debemos hacer un reconocimiento de campo en la cual debemos ir al lugar de los hechos y tratar de interpretar el origen y la formación de los suelos; posteriormente debemos realizar una planificación de la exploración y muestreo, acá debemos cuantificar el numero de sondajes o ensayos de campo y con ello tratar de optimizar el muestreo para luego ejecutarlo; seguidamente se ejecutan los ensayos de laboratorio para determinar los parámetros del suelo, después de ello se interpreta y evalúan los resultados del campo y laboratorio para por ultimo realizar el diseño y poder dar con ello una conclusión. Con todo ello tendremos una mejor perspectiva de lo que son los estudios geotécnicos.

Ensayos para la medición de de propiedades dinámicas de los suelos

Podemos hacer una clasificación de los ensayos de campo y laboratorio según el nivel de deformación, esto se debe a que según el grado de deformación aumenta, se alteran más el módulo de corte reduciéndose, siendo este el parámetro dinámico más importante del suelo. Cabe recalcar que el amortiguamiento del suelo es de tipo histerético, a un esfuerzo cortante variable, la deformación va aumentando y a su vez disminuyendo su módulo de corte.

En el siguiente gráfico vemos cómo varía el Módulo de corte para las arenas a medida que se aumenta su deformación, esta deformación se debe por ejemplo en el caso de un sismo, con los movimientos cíclicos que se generan, se va deformando cada vez más y más el suelo hasta producirse la falla, esta falla se debe a que el Módulo de Corte se redujo a su valor mínimo, este valor mínimo depende del tipo de suelo.

Gráfico 01: Relación del Módulo de corte con la deformación para las arenas (Referencia 4)

Ensayos de Campo

Los ensayos de campo podemos tener ventajas y desventajas, entre las ventajas tenemos:

Se puede ensayar grandes áreas de suelo como el ensayo de refracción sísmica.
Se puede modelar adecuadamente la deformación y tomarlo como un problema más práctico.

Entre las desventajas tenemos:

No permite controlar el drenaje de la presión de poros.
Sólo permite medir condiciones de campo, no otras condiciones que pueden ser más desfavorables.
En varios casos las propiedades se determinan indirectamente.

Ensayos de Campo de Bajo nivel de deformación: Ensayos geofísicos

Entre los más conocidos tenemos:

Ensayos de Reflexión y Refracción Sísmica
Ensayos Downhole y Uphole
Ensayo Crosshole
Ensayos de vibración superficial (ondas Rayleigh)

Los ensayos geofísicos como los de Refracción o Refracción Sísmica o los de MASW, consisten en poner sensores en la superficie de la tierra en un arreglo preestablecido y se generan las vibraciones, son ensayos que no alteran al suelo, es decir son no destructivos; se opta por usar estos ensayos cuando se tiene el área suficiente para su realización, y no se tiene agentes externos que alteren su resultado, como ruidos ambientales, movimientos del suelo, entre otros; cuando tenemos estos inconvenientes, se prefiere utilizar el Dowhole, Uphole o el Crosshole ya que estos consisten en realizar perforaciones en el suelo, poner un sensores que capten las ondas, y en la superficie se generan las vibraciones.

Gráfico 02: Ensayo de DowHole (Referencia 1)

Gráfico 03: Ensayo de MASW (Elaboración Propia)

Ensayos de Campo de Alto nivel de deformación

Entre los más utilizados tenemos:

Ensayo de Penetración Estática (SPT)
Ensayo del Cono Holandés (CPT)

Entre estos el más usado es el SPT, con este podemos hallar las características de resistencia y compresibilidad de suelos, lo que hace que este método sea el favorito de muchos geotecnistas, es que podemos recuperar muestra, existen muchas correlaciones de este método con diversos parámetros, entre ellos el Módulo de Corte.

El ensayo CPT se utilizó en la Selva, pero no es muy usado debido a que no se presta para la diversidad de suelos que tenemos, y no obtenemos muestra. Lo bueno es que podemos obtener resultados a lo largo de toda la profundidad de exploración, en cambio en el SPT, es a cada metro del total de profundidad.

Ensayos de Laboratorio

Los ensayos de laboratorio en muchos casos nos idealizan lo que ocurre en la vida real con los suelos cuando estos son sometidos a esfuerzos cortantes cíclicos, esto se debe a que estos ensayos en la mayoría de los casos trabajan con muestras alteradas.

Entre los ensayos más conocidos tenemos:

Ensayo Triaxial Cíclico
Ensayo de Corte Directo Simple Cíclico
Ensayo de Corte Torsional Cíclico
Ensayo de Columna Resonante
Ensayos en Mesa Vibradora
Ensayos en Centrífuga

Tal vez el más conocido sea el ensayo Triaxial Cíclico, este ensayo es parecido a un ensayo Triaxial convencional con la diferencia que se le aplica una carga cíclica que va deformando la muestra y esta carga nos representa los esfuerzos inducidos por un sismo. Este es el ensayo más común de los ensayos de laboratorio para medir propiedades de deformaciones bajas de los suelos. Como todo ensayo Triaxial, este usa especimenes cilíndricos de suelo sujetos a una carga armónica torsional aplicada por un sistema de carga electromagnético usándose amplitudes y frecuencias que puedan ser controladas ya sean pulsos o en forma sinusoidal. Con este ensayo podemos obtener el modulo de corte.

Gráfico 05: Ensayo Triaxial Cíclico (Referencia 4)

El ensayo de la Columna Resonante es el ensayo que nos puede inducir menor variación en el Módulo de Corte ya que la muestra no se deforma como en los otros casos. Tanto los ensayos geofísicos como este ensayo, son los que nos proporcionan Módulos de Corte con una muy baja deformación.

Gráfico 06: Ensayo de Corte Torsional Cíclico

(Referencia 4)

El ensayo del Corte Torsional Cíclico es el ensayo que nos puede representar los 3 estados de esfuerzo, se le puede aplicar un esfuerzo en cualquiera de las 3 dimensiones ya que se compone de 2 cilindros concéntricos, por dentro se le puede proporcionar una presión, por fuera otra presión, y por encima un esfuerzo axial.

El ensayo de la centrífuga la utilizamos cuando queremos modelar algún proyecto a escala, y se necesita aumentar la gravedad; consiste en un brazo torsor largo que gira produciendo una mejor interpretación del proyecto cuando este ya esté realizado.