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Propiedades dinámicas de los suelos
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DINÁMICA DE SUELOS
07 Abril, 2016
UNIVERSIDAD SAN IGNACIO DE LOYOLAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
Luis Miguel Cañabi Quispe
Problemas Estáticos
parqueo de
Temporales y
inducidapor oleajeCarga
(Segundos)
10
10
410
5
310
210
1.0
Terremoto
Cargas deTráfico
Cimentaciónde máquinas
Compactaciónpor pilotes
vehículos
Carga de
Problemas Dinámicos
Tiempo de Carga
VoladurasBombas
10-310 -2 10 -1
1.0(Minutos)
101.0 21021010
Permanente
Estructura
10 3 10 4
Fatig
aV
ibra
ción
Núm
ero
de C
iclo
s
Clasificación de los problemas dinámicosIshihara (1996)
MediciónIn-situ
torioLabora-
Medición
Velocidad de CargaEfecto deRepetición de CargaEfecto de
Fenómenos
Deformación Cortante
Constantes
MecánicasCaracterísticas
Deslizamiento,Fisuramiento,
Módulo cortante, relación dePoisson, amortiguamiento
resonanteColumna
carga repetida
Ensayo de carga
SísmicosMétodos
Ensayo de
Ensayo de vibración In-situ
Vibración
Elástico Elásto - Plástico
Asentamiento Diferencial
Falla
Licuación
Magnitud de la -610 10-5 10-4 10-3 10-2 -110
Angulo de fricción interna,Cohesión
Propagación de ondas,
Propagación deondas
en el
repetida
Variación de las propiedades del suelocon la deformación cortante
Ishihara (1996)
Método deMétodoMétodoMétodo de Lineal Equivalente
la respuestaanálisis de Lineal Paso a Paso
Integración
Efecto de Velo-cidad de carga
tición de CargaEfecto de Repe-
Elásto-Plástico
10
Lineal ElásticoModelo
Falla
Modelo
10Cortante
Elástico
10-6 -5
ModeloVisco Elástico
Modelo tipo
-4 10-3 -210 -110Deformación
DeformaciónPequeña
DeformaciónMediana
DeformaciónGrande
de FallaDeformación
Historia de Carga
Modelamiento del suelo en función de losniveles de deformación
Ishihara (1996)
1 MODELO LINEAL VISCOELASTICO-NATURALEZA HISTERETICA DE LA CURVAESFUERZO-DEFORMACION-MODELO KELVIN-MODELO MAXWELL-
MODELOS ESFUERZO-DEFORMACION
1τ
G
τ
2τ
G´
γτ
G´ γ 2
G γ 1
Modelos viscoelásticos típicos
b) Modelo Maxwella) Modelo Kelvin
F
x
Fm
F, x
Fm
Fuerza y desplazamiento durante carga cíclica
δ/
t
K sec δ
Relaciones HisteréticasEsfuerzo-Deformación
Esfuerzo G1 G21 1
γ2
γ1
Deformación
Capacidad de Amortiguamiento
x
F
EnergíaPerdida E
Almacenada EEnergía
∆ E∆E
ψ =
-0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0.0020 0.004 0.006
CurvaExperimental
Visco ElásticaCurva
Teórica
γ
-1000
- 500
0
500
1000
τ
γW
W∆τ
(din
as/c
m
)2
Lazo histerético para deformación armónica oscilatoria.
Definición de amortiguamientoModelo No Lineal
Descarga
Recarga
Pérdida asociada a amortiguamiento
Deformación de Referencia
Modelo Hiperbólico
Módulo de corte y amortiguamiento
Módulo Cortante para Arenas (Seed e Idriss, 1970)
75%
Deformación Cortante ( % )
80
70
60
50
40
30
20
10
010 -4 10 -3 10 -2 10 -1 1
K2
G=1000 K ( ' ) psfσ 1/22 m90%Dr
D r
D r 45%
D r 60%
D r 40%D r 30%
Módulo Cortante de Arenas(Seed e Idriss, 1970)
Rango de valores
Deformación Cortante, (%)γ
10-4 10-3 10-2 10-1 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Mod
ulo
cort
ante
ade
f.co
rtan
teM
odul
oco
rtan
tem
áxim
o
γ
Módulo Cortante para ArenasSeed & Idriss, 1970
Módulo Cortante para ArenasDr=75 y 40%
Amortiguamiento en Arenas
Amortiguamiento en ArenasInfluencia del Confinamiento
10-310-4 10-2 -1100
4
8
12
16
20
24
28
Raz
ónde
Am
ortig
uam
ient
o(%
)
Weissman and Hart (1961)Hardin (1965)Drnevich, Hall and Richart (1966)Matsushita, Kishida and Kyo (1967)Silver and Seed (1969)Donovan (1969)Hardin and Drnevich (1970)Kishida and Takano (1970)
Amortiguamiento de Arenas(Seed e Idriss, 1970)
1
Deformación Cortante, (%)γ
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 100.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
G/G
max
Modulo Cortante de Suelos Cohesivos(Vucetic y Dobry, 1991)
Deformación Cortante Cíclica (%)
OCR=1-15
015 30 50100
IP=200
OCR = 1-8
15
IP=0
30
50
100
200
100.0001 0.010.001 10.10
5
10
15
20
25
Raz
ónde
Am
ortig
uam
ient
o(%
)
Amortiguamiento de Suelos Cohesivos(Vucetic y Dobry, 1991)
Deformación Cortante Cíclica (%)
Modulo Cortante de Suelos Cohesivos
Efectos de Sobre-consolidación
Efectos de Plasticidad
Amortiguamiento en Arcillas
Módulo Cortante de Gravas(Seed et. al., 1984)
Rango de valores
10-4 10-3 10-2 10-1 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Deformación Cortante, (%)γ
Mod
ulo
cort
ante
ade
f.co
rtan
teM
odul
oco
rtan
tem
áxim
o
γ
Módulo Cortante de Gravas(Seed et. al., 1984)
Amortiguamiento de Gravas(Seed et al., 1984)
10-310-4 10-2 -110
Datos para gravas y suelos gravosos
10
4
8
12
16
20
24
Valores promedio para arenas
Límite superior e inferior para arenas
Raz
ónde
Am
ortig
uam
ient
o(%
)
Deformación Cortante, (%)γ
MEDICION DE LAS PROPIEDADES DINAMICAS DEL SUELO
Ensayos de Campo
Ensayos a Bajo Nivel de Deformación
Ensayos a Gran Deformación
Ensayos de Laboratorio
Ensayos en Elementos a Baja Deformación
Ensayos en Elementos a Gran Deformación
Ensayos en Modelos
Ensayos con Bajo Nivel de Deformaciones
REFRACCIÓN SÍSMICA
Método consiste en la medición de los tiempos de viaje de ondas de compresión (P), generadas por una fuente de energía impulsiva a unos puntos localizados a distancias predeterminadas a lo largo de un eje sobre la superficie del terreno.
REFRACCIÓN SÍSMICAProfundidad de Investigación
La profundidad de investigación (h) es directamente proporcional a la longitud de la línea extendida (L) en el terreno, con una relación de 1/3 a ¼, las ondas grabagas son producto de refracciones de discontinuidades del medio.
Una condición importante para la aplicación y validez del método es que la velocidad de propagación de las ondas aumente con la profundidad V1<V2<V3……
Ensayo de refracción sísmica, disposición detallada de la conexión de cables a los geófonos, trigger, equipo de
adquisición y amplificador
REFRACCIÓN SÍSMICAAplicaciones
• Ingeniería Civil (fundaciones, puentes, presas, trabajos mediambientales, etc).
• Determinación de macizo rocoso, grado de alteración y competencia de la roca.
• Aplicaciones en el campo de la hidrogeología.
• Prospección en actividades mineras.
• Análisis numéricos.
• Arqueología.
REFRACCIÓN SÍSMICALimitaciones
• Diferentes rocas con semejante velocidad de propagación.
• No detecta estratos de baja potencia.
• La distancia entre sensores controla la preciónconque se puede evaluar el espesor de los estratos.
REFRACCIÓN SÍSMICAImpacto
Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos (Ensamblado final).
Geófono vertical y cable conductor de señales para realizar ensayos de refracción sísmica y ensayos en pozo abierto de poca profundidad
DisparoFrente de
Ondast1t2
t3t4
t5t6t7t8
Xc
Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de Dos Estratos a tiempos t1, t2,...
Ley de Snell Cuando la onda sísmica alcanza la frontera
entre dos materiales de distinta velocidad sísmica, las ondas son refractadas.
Cuando el ángulo de incidencia iguala al ángulo crítico en la frontera, la onda refractada se mueve a lo largo de la frontera entre los dos materiales, transmitiendo energía de nuevo a la superficie.
Esta frontera es llamada un refractor.
α
Estrato 1
Velocidad = V1
Velocidad = V2
Estrato 2
Angulo Críticode Incidencia
r
α =
Fuente
i
sen i sen Vosen r sen V1 =
Refracción de Trayectoria de los Rayos a Través de una Frontera entre Dos Medios Elásticos
DIRECTA
V1
V2
i r
REFRACTADA
icic
• Parámetros:
- Tiempo de inicio del movimiento sísmico (tiempo cero)
- Distancia entre el punto de impacto y el sensor
- Primer arribo de energía sísmica que llega a los sensores
Onda Hipotética Registrada por un Geófono en la Superficie de un Medio Elástico Homogéneo a Cierta Distancia de la Fuente
Onda R
Des
plaz
amie
nto Onda S
Tiempo
Onda P
Trazas y Domocromitas
Caso Simple de Dos Estratos con Límites Planos y Paralelos y Carga Tiempo -Distancia Correspondiente
D1 =XC
22V 1V-
V2V + 1
DISTANCIA
TIEM
PO
TIEMPO DEINTERSECCION,
DISTANCIA CRITICA, X C
v1
1
2v1
Ti
DISPARO
E
F G
H
D 1α
SIN = αv1
2v(
1v
2v
t
X
Perfil de Velocidades de Ondas P
Criterios de Análisis (Ensayos de R.S.)
VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGÚN LA NORMAASTM-D5777
Descripciónpie/s m/s
Velocidad Vp
Suelo intemperizado
Grava o arena seca
Arena saturada
Arcilla saturada
Agua
Agua de mar
Arenisca
Esquisto, arcilla esquistosa
Tiza
Caliza
Granito
Roca metamórfica
800 a 2000
1500 a 3000
4000 a 6000
3000 a 9000
4700 a 5500
4800 a 5000
6000 a 13000
9000 a 14000
6000 a 13000
7000 a 20000
15000 a 19000
10000 a 23000
240 a 610
460 a 915
1220 a 1830
910 a 2750
1430 a 1665
1460 a 1525
1830 a 3960
2750 a 4270
1830 a 3960
2134 a 6100
4575 a 5800
3050 a 7000
ENSAYO MASW/MAM
ENSAYO MASW/MAM
ENSAYO MASW/MAM
ENSAYO MASW/MAM
Criterios de Análisis (MASW/MAM)
LLEGADA DE LAS ONDAS S
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30Milisegundos
Prof
undi
dad
(m)
Vs = 300 m/s
Vs = 630 m/s
Vs = 655 m/s
Vp = 630 m/s
Vp = 1550 m/s
Vp = 1890 m/s
shot 0105
Estrato Velocidades Poisson Módulo DensidadN° Vp (m/s) Vs (m/s) σ E d (T/m2) Gd (T/m2) (T/m3)1 630 300 0.35 44744.1 16530.6 1.82 1550 630 0.40 238319.0 85050.0 2.13 1890 655 0.43 263252.9 91933.9 2.1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tiempo de Viaje ( x 10 ) sec.-2
m Tipode
SueloValor de N
10 20
580 210
100140
120
195
150
155msecVs =
1.35 mm
Vp =1300 msec
1890
Owi IslandN°1Tokyo
C2Bay5
10
15
20
Ejemplo de Prospección de velocidades por el método Downhole
Determinación de propiedades dinámicas de losmateriales.
ρ = 0.2 Vp0.25
ν = (Vp /Vs )2 - 2
2 ((Vp /Vs )2 - 1)
Ed = 2 (1 + ν )G
Gd = ρ Vs 2
Donde:ρ = densidad volumétrica.ν = relación de Poisson.Gd = módulo de corte.Ed = módulo de Young.
Prospección de velocidades por el método Downhole
Impulso
t
Fuente de Receptor Receptor
Oscilógrafo
Determinación de velocidadespor el método Crosshole
Ensayos con Grandes Deformaciones
CPT/CPTuhttps://www.youtube.com/watch?v=s_mglPcXriI
6 4 2 0 100 200 300 400 500 0 2 4 6 80
10
20
30
40
50
60
Varilla de Hincado
Amplificador de Señal
Inclinómetro Biaxial
Manguito deFricción (150 cm )2
Celda de Cargadel Manguitode Fricción
Celda de Cargapor Punta
Geófono Biaxial
Prof
undi
dad
(ft)
Resistenciaa la Fricción
(ton/ft)
Resistenciapor Punta
(ton/ft)
Relación deFricción
(%)
a) Típico Penetrómetro de cono con Sensor Sísmico Incorporado;b) Resultados de un Ensayo de Penetración Cónica
(b)(a)
CPT/CPTu
SPThttps://www.youtube.com/watch?v=qhQFSvaCr_0
SPT
Estimación del Módulo Cortante a partir deEnsayos SPT
Imai y Yoshimura (1970)
Ohba y Toriumi (1970)
Ohta et al (1972)
Ohsaki e Iwasaki (1973)
Hara et al (1974)
Go = N0.78
Go = 1.22 N0.62
Go = 1.39 N0.72
Go = 1.20 N0.80
Go = 1.58 N0.67
Go en KpaN ≈ 0.833 N60
Ensayos de Laboratorio
Ensayo del Presiómetroa) Instalación del equipo b) Curva típica
la cavidad, VPr
esió
n co
rreg
ida,
p
Unidad de
Sondaje
control
cilíndrica presurizadaMembrana flexible
por el fluido DeformaciónElástica
DeformaciónPlástica
Volumen corregido de
Cierre de poros
Ensayo del presurímetroa) Instalación del equipo b) Curva típica
b)a)
ENSAYOS DE LABORATORIO
Ensayo de Columna Resonante
Ensayo Triaxial Cíclico
Ensayo de Corte Directo Simple Cíclico
Ensayo de Corte Torsional Cíclico
Ensayos en Mesa Vibradora
Ensayos en Centrífuga
ENSAYO TRIAXIAL CÍCLICO
Discos de caucho lubricados(arriba y abajo)
Pistón de carga
Junta tórica(anillo "0")
Disco cerámico
Tubo de nylon flexible
Cámara de perspex
Hacia el transductor de presiónintersticial
Bandas de papel filtro
Desde el controlador depresión de cámara
Hacia la bureta de drenaje
Juntas tóricas(Anillos "0"
Muestrade suelo
Agua
Membrana de caucho
Juntas tóricas(Anillos "0")
Disco cerámico
Cámara Triaxial
ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO
ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO
ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO
Ensayo de corte torsional cíclico
Esfuerzo Axial
ExternaPresión
σ
PresiónInterna
σ
r
θ
θ
zσ
τ zθτ z
Torque
Ensayo de corte torsional cíclico
Ensayo de Columna Resonante