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COMPORTAMIENTO DE SUELOS BAJAS Y ELEVADAS DEFORMACIONES Dr. Víctor Rinaldi UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA

caracterizacion y comportamiento de suelos

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Page 1: caracterizacion y comportamiento de suelos

COMPORTAMIENTO DE SUELOS

BAJAS Y ELEVADAS DEFORMACIONES

Dr. Víctor Rinaldi

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBAUNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA

Page 2: caracterizacion y comportamiento de suelos

Es

Emax

σy

εy

E50

σy

σymax/2

εy

Et

DEFINICIÓN DE MÓDULOS DEFINICIÓN DE MÓDULOS Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 3: caracterizacion y comportamiento de suelos

Compresión Simple

y

yE

Corte Simple

xx

xxG

Compresión Isotrópica

y

yB 3

Compresión Confinada

y

yM

σy

εy/2

τxx γxx

σo

σy εy/2

TIPOS DE MÓDULOS TIPOS DE MÓDULOS Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 4: caracterizacion y comportamiento de suelos

PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDAS

x

x

xx

x

x

x

COMPRESIÓN EN BARRASCOMPRESIÓN EN BARRAS

amAxx

A xxx

x x

xAx

x Ag

ut

2

2

x E

ux

2

2

2

2

ut

E ux

vE

E

Equilibrio de Fuerzas

O También

Ley de Hooke

Reemplazando (2) en (1)

(1)

(2)

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 5: caracterizacion y comportamiento de suelos

PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDASCORTE EN BARRASCORTE EN BARRAS

Equilibrio de Fuerzas

O También

Ley de Hooke

Reemplazando (2) en (1)

(1)

(2)

TTx

x

T

xx

T T

Tx

x I xtp

2

2

Tx

Itp2

2

T G Ixp

2

2

2

2

xG

t

vG

S

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 6: caracterizacion y comportamiento de suelos

x

x

x

xx

x z

x

y xy

xy

yy

xz

xz

zz

y

z

PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDASMEDIOS INFINITOSMEDIOS INFINITOS

2

22u

tG

xG uv

2

22u

tG

yG vv

2

22u

tG

zG wv

Equilibrio de Fuerzas

En Donde

GE

2 1( )

E( ) ( )1 1 2

v x y z

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 7: caracterizacion y comportamiento de suelos

PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDASMEDIOS INFINITOSMEDIOS INFINITOS

2

222v

vtG

DE

( )

( ) ( )1

1 1 2

2

22x

xtG v

GS

Derivando todas respecto a x, y, z, y sumando

De donde

Siendo

Diferenciando la segunda respecto a z, la tercera respecto a y, y substrayendo ambas

De donde

MGvp 2

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 8: caracterizacion y comportamiento de suelos

PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDASMEDIOS SEMINFINITOSMEDIOS SEMINFINITOS

Achenbach (1975)

Onda Rayleigh o de Superficie

Richart et al., (1970)

0114221

221

222

s

R

p

R

s

R

vv

vv

vv

VR 0.9 VS

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 9: caracterizacion y comportamiento de suelos

PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDASMEDIOS SEMINFINITOSMEDIOS SEMINFINITOS

Richart et al., (1970)Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 10: caracterizacion y comportamiento de suelos

E

EVMPV ;

G

SV

SVRV 9,0

PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDAS

Richart et al., (1970)

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 11: caracterizacion y comportamiento de suelos

)()( ztjzo

ztjoz eeueuu ECUACIÓN DE LA ECUACIÓN DE LA

PROPAGACIÓNPROPAGACIÓN

CONSTANTE DE CONSTANTE DE PROPAGACIÓNPROPAGACIÓN

j

VDf 2

V

CONSTANTE DE CONSTANTE DE

ATENUACIÓNATENUACIÓN

NUMERO DE ONDANUMERO DE ONDA

AMORTIGUAMIENTO AMORTIGUAMIENTO MATERIALMATERIAL cc

cD

1

dSPROFUNDIDAD DE PROFUNDIDAD DE PIELPIEL Ondas ElásticasOndas Elásticas

ATENUACIÓN MATERIALATENUACIÓN MATERIAL PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDAS

Page 12: caracterizacion y comportamiento de suelos

ATENUACIÓN GEOMÉTRICAATENUACIÓN GEOMÉTRICA PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDAS

Richart et al., (1970)Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 13: caracterizacion y comportamiento de suelos

REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN

2211

)()()()(

SDSD VfSeno

VeSeno

VbSeno

VaSeno

a ab

P P Sv

PSv

ef

1

2

b ba

P

ef

1

2

Sv Sv P

Sv

b b

f

1

2

Sh

Sh Sh

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 14: caracterizacion y comportamiento de suelos

Coeficiente de Reflexión:

Coeficiente de Transmisión:

Impedancia Del Material:

INCIDENCIA NORMAL

z2z1

Ai

Ar

RAA

Z ZZ Z

R

I

2 1

2 1

RT 1

Z V A A Ec

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 15: caracterizacion y comportamiento de suelos

ATENUACIÓN TOTALATENUACIÓN TOTAL PROPAGACIÓN DE ONDASPROPAGACIÓN DE ONDAS

12

1

2 rreAA

n

rr

AA

2

1

1

2

1

1

2 TAA

1

2

1

1

2 12

Te

rr

AA rr

n

Atenuación Material

Atenuación Geométrica

Atenuación por Absorción

Atenuación Total

Ondas ElásticasOndas Elásticas

Page 16: caracterizacion y comportamiento de suelos

Es

Emax

σy

εy

E50

σy

σymax/2

εy

Et

Ondas ElásticasOndas Elásticas

MEDICIÓN DEL MÓDULO MEDICIÓN DEL MÓDULO EN LABORATORIOEN LABORATORIO

Page 17: caracterizacion y comportamiento de suelos

MEDICIÓN DEL MÓDULO MEDICIÓN DEL MÓDULO EN LABORATORIOEN LABORATORIO

Page 18: caracterizacion y comportamiento de suelos

COLUMNA RESONANTE-TORSIONALEQUIPO DE MEDICIÓN

Kim (1991)

Page 19: caracterizacion y comportamiento de suelos

Kim (1991)

COLUMNA RESONANTE-TORSIONAL

RESULTADOS EN RESONANCIA

II

LV

tanL

Vo

t

s

t

s

Page 20: caracterizacion y comportamiento de suelos

Kim (1990)

COLUMNA RESONANTE-TORSIONALAMORTIGUACIÓN LIBRE

Page 21: caracterizacion y comportamiento de suelos

COLUMNA-TORSIONAL

Kim (1990)

COLUMNA RESONANTE-TORSIONAL

Page 22: caracterizacion y comportamiento de suelos

CORTE SIMPLE CÍCLICOEQUIPO DE MEDICIÓN

Prevost y Hoeg (1976)a) NGI, b) Cambridge

Page 23: caracterizacion y comportamiento de suelos

Seed y Peacock, (1971) Finn et al. (1971)

CORTE SIMPLE CÍCLICOEQUIPO DE MEDICIÓN

Page 24: caracterizacion y comportamiento de suelos

TRIAXIAL CÍCLICOEQUIPO DE MEDICIÓN

Politecnico de Torino Lopresti (1994)

Page 25: caracterizacion y comportamiento de suelos

TRIAXIAL CÍCLICOEQUIPO DE MEDICIÓN

Ecole Nationale des Travaux Public de l’Etat Di Benedetto et al., (1996)

Page 26: caracterizacion y comportamiento de suelos

TRIAXIAL CÍCLICOEQUIPO DE MEDICIÓN

Univ. de Tokio Tatsuoka et al. (1996)

Page 27: caracterizacion y comportamiento de suelos

TRIAXIAL CÍCLICOEQUIPO DE MEDICIÓN

Imperial College, Kuwano (1997)

Page 28: caracterizacion y comportamiento de suelos

TRIAXIAL CÍCLICOEQUIPO DE MEDICIÓN

Goto (1986)

Page 29: caracterizacion y comportamiento de suelos

Seed y Peacock, (1971)

TRIAXIAL CÍCLICOESFUERZOS INDUCIDOS

Page 30: caracterizacion y comportamiento de suelos

TRIAXIAL CÍCLICORESULTADOS DE MEDICIÓN

Sedd e Idriss (1971)

Page 31: caracterizacion y comportamiento de suelos

CORTE TORSIONAL EQUIPO DE MEDICIÓN

Iwasaki et al., (1978)

Page 32: caracterizacion y comportamiento de suelos

MESA VIBRATORIAEQUIPO DE MEDICIÓN

DeAlba et al. (1976)

Page 33: caracterizacion y comportamiento de suelos

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN - ELEMENTOS PIEZOCRISTALES

Oscilloscope

Signalgenerator

Amplifier andfilter

PC

AmplifierLVDT

Isotropiccell

Pressure panelcontrol

Sample

Isotropic cellbase

Bottom cap

Bender elementcovered with epoxi

resin and silver paintPorous stone

Coaxial cable

Drainage port

Page 34: caracterizacion y comportamiento de suelos

MONTAJE DEL PIEZOCRISTAL

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN - ELEMENTOS PIEZOCRISTALES

Porous Stone

Silicon Rubber

Epoxy Resin

Silver Painting

Piezoceramics

Drainage Port

Coaxial Wire

A

Aluminum

Page 35: caracterizacion y comportamiento de suelos

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN - ELEMENTOS PIEZOCRISTALES

-1.E-04 1.E-04 3.E-04 5.E-04 7.E-04Tiempo [seg]

Ampl

itud

Excitación

Respuesta

Arribo de la onda de Corte

RESULTADOS DE MEDICIÓN

tLG

SV

Page 36: caracterizacion y comportamiento de suelos

Parámetros muy importantes: -Amplitud de deformación-Tensión principal efectiva media.-Relación de vacíos-Grado de saturación 

PARÁMETROS DE INFLUENCIAPARÁMETROS DE INFLUENCIASOBRE EL MODULO ELÁSTICOSOBRE EL MODULO ELÁSTICO

Page 37: caracterizacion y comportamiento de suelos

Parámetros de importancia media:-Razón de sobreconsolidación (OCR)-Nivel de resistencia efectiva-Tensiones octaédricas-Efectos del tiempo (tixotropía)

PARÁMETROS DE INFLUENCIAPARÁMETROS DE INFLUENCIASOBRE EL MODULO ELÁSTICOSOBRE EL MODULO ELÁSTICO

Page 38: caracterizacion y comportamiento de suelos

Parámetros de menor importancia:-Frecuencias de carga, superiores a 0.1 Hz -Número de ciclos de carga-Características de los granos, tamaño, forma,

graduación, mineralogía, etc.-Estructura del suelo-Cambios volumétricos sufridos como consecuencia

de tensiones de corte (para deformaciones menores del 0.5%)

PARÁMETROS DE INFLUENCIAPARÁMETROS DE INFLUENCIASOBRE EL MODULO ELÁSTICOSOBRE EL MODULO ELÁSTICO

Page 39: caracterizacion y comportamiento de suelos

Shibuya et al. (1991)

EFECTO DE MEDICIÓN DE DEFORMACIONES

Page 40: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DEL NIVEL DE DEFORMACIONES

et: deformación específica de transición elástica,

generalmente se toma igual a 10-4.

Page 41: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA TENSIÓN MEDIA

32131 o

13)21( o

ok

Para 1>2>3

Para 1>2=3=ko 1

maxG = A ef ( o )

Page 42: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA RELACIÓN DE VACÍOS

La disminución de vacíos produce una densificación del suelo con el aumento de numero de contactos por partícula de suelo

maxG = A ef ( o )

Page 43: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA RELACIÓN DE SOBRECONSOLIDACIÓN (OCR)

Emax (OCR)K

El efecto de sobreconsolidación implica disminución de la relación de vacíos y probable formación de contactos ligeramente cementados

Page 44: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE L GRADO DE HUMEDAD

Menor contenido de humedad se traduce en un aumento de la succión y la rigidez del suelo

Page 45: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA CONSOLIDACIÓN

El tiempo de aplicación de la carga se traduce en una disminución de la relación de vacíos y aumento de tensiones efectivas

Page 46: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA DE CARGA

En las arcillas el modulo depende de la frecuencia de medición. El efecto aumenta con el Indice de Plasticidad.

Arcillas

Arenas

Page 47: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DEL NÚMERO DE CICLOS

La disminución del módulo con el número de ciclos se conoce como degradación cíclica.

Page 48: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA CEMENTACIÓN

La cementación aumenta el módulo y provoca una degradación discontinua con las deformaciones

In t a c t s p e c i m e n C e m e n t b r e a k a g ea t c o n t a c t

B l o c k y s t r u c t u r ej o i n t e d m a s s

B l o c k o v e r i d i n ga n d b r e a k i n g

G

csmaxG

smaxG

lt

lt

dt

dt

)log(

C e m e n t e d S o i lU n c e m e n t e d s o i l

C o n t a c t L o s s

0

Santamarina y Rinaldi (2002)

Page 49: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA CEMENTACIÓN

La cementación hace que el módulo resulte insensible al confinamiento.

Santamarina y Rinaldi (2002)

C em en ta tionin creases

kPa

l

log

2

tanlogmkN

E

C em en ta tioncon trolled

Stresscon trolled

(a )

Page 50: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DE LA SUCCIÓN (GRADO DE SATURACIÓN)

La cementación aumenta el módulo y provoca una degradación discontinua con las deformaciones

Clariá y Rinaldi (2002)

m

V s

Suction increases

Suction controlled Stress controlled

saturatedsample

Rate of increase, related with B

Curvature, related with

Vso values

Vs = Vso + B.m

Page 51: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DEL GRADO DE ALTERACIÓN

La alteración provoca una reducción generalizada del modulo.Fundamentalmente por aparición de microfisuras.

Prueba de Campo

Prueba de Laboratorio

Emax (Velocidad Propagación)

Page 52: caracterizacion y comportamiento de suelos

INFLUENCIA DEL REMOLDEO Y TIXOTROPÍA

Tixotropía o aging produce incrementos en el módulo. Actualmente no se conoce con certeza las causas de este fenómeno

Mezclado o Remoldeo

Tiempo

Page 53: caracterizacion y comportamiento de suelos

CONCLUSIONES FUNDAMENTALESCONCLUSIONES FUNDAMENTALES

• EL MODULO DE ELASTICIDAD ES EL PARAMETRO FUNDAMENTAL PARA PREDECIR DEFORMACIONES DE ESTRUCTURAS.

• EL MODULO DEPENDE DE NUMEROSOS PARAMETROS INTRINSECOS DEL SUELO.

• EL MODULO DEPENDE TAMBIEN DE PARAMETROS ATRIBUIBLES AL MUESTREO Y MEDICIÓN.

• ACTUALMETE LOS ASENTAMIENTOS TINDEN A SOBREESTIMARSE (DISEÑO ANTIECONÓMICO)

• LOS ESTUDIOS DE SUELOS DEBEN INCORPORAR MEDICIÓN DIRECTA DEL MÓDULO (ENSAYOS DE VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN, PLATO DE CARGA, PRESIÓMETRO, ETC.)