Introduction-to-unsat-soil-mechanics_esp.pdf

6/8/2017

ANALISIS Y DISEÑO DE SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS PARA PAVIMENTOS

Carlos E. Cary, Ph.D.

Senior Pavement & Geotechnical Engineer Gemini Technologies, Inc.

CARLOS E. CARY RICALDE, Ph.D. •

Bachiller en Ing. Civil, 2004

•

Especialidad: Suelos y Pavimentos

•

Postdoctorado, 2012-2013

•

Postdoctorado, 2013-2014

 Master, 2008  Doctorado, 2011  Postdoctorado, 2012

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CARLOS E. CARY RICALDE, Ph.D. •

Senior Pavement & Geotech Engineer 2014 - Presente

Federal Aviation Administration, Airport R&D National Airport Pavement Test Facility (NAPTF)

ANALISIS Y DISEÑO DE SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS PARA PAVIMENTOS Lunes (05/06)  Introducción a la Mecánica de Suelos No Saturados  Medición de Succión en Laboratorio y Campo

Martes (06/06)  Laboratorio Avanzado de Suelos para Pavimentos  Incorporación de la Mecánica de Suelos No Saturados en el Diseño Empírico-Mecanístico de Pavimentos

Miercoles (07/06)  Ensayos Acelerados a Gran Escala en USA  Instrumentación y Respuesta Mecánica en Pavimentos

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INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS SATURADO

Vw Vt

Vs

Agua Suelo

SECO

Vw

Mw

Ms

Mt

Vt

Vs

Aire Suelo

NO SATURADO

Vw

Ma

Ms

Mt

Vt

Va Vs

Aire

Agua Suelo

Ma Mw

Mt

Ms

INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS

• • •

Diseño de infraestructura civil se basa en condición saturada del suelo

En la práctica: condición saturada del suelo es poco frecuente

Realísticamente: los suelos se encuentran en condición no-saturada (parcialmente saturada)

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INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS

INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS

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INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS

INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS • • • •

En suelos no-saturados, existe una presión de poros de agua negativa actuando entre partículas En campo, la presión de poros de aire es cero

El diferencial de presiones de poro a través de la interface aire-agua se conoce como succión matricial La succión matricial esta íntimamente ligada a la tensión superficial del agua y las características geométricas del sistema agua-aire-sólido (granulometría)

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INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS

•

Los perfiles de presión de poros de agua negativa dependen de las características del ciclo hidrológico o las condiciones climáticas locales

INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS

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INTRODUCCION A LA MECANICA DE SUELOS NO SATURADOS Y en el PERU?

…acaso no tendría sentido incorporar la mecánica de suelos no-saturados en la práctica?

SUELOS NO-SATURADOS EN LA INGENIERIA PRACTICA

• • • •

• • • • •

Problemas Relacionados con Esfuerzos

Estabilidad de taludes y deslizamientos a causa del clima Presión lateral del suelo y la estabilidad de estructuras de contención Estabilidad de excavaciones

Capacidad portante para cimentaciones superficiales bajo el efecto de cambios en contenido de humedad

Problemas Relacionados con Deformación Expansión y contracción de suelos Grietas de disecación en arcillas Suelos colapsibles

Consolidación y asentamiento en suelos no-saturados Compactación del suelo

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SUELOS NO-SATURADOS EN LA INGENIERIA PRACTICA

Problemas Relacionados con el Flujo Hidráulico •

Balance del flujo hidráulico en la interface suelo-atmósfera

•

Transporte de contaminantes y remediación en zonas superficiales

•

•

Diseno de cubiertas para deposito y contención subterranea de desechos y contaminantes

Infiltracióón temporal y permanente en terraplenes no-saturados para represas

SUELOS NO-SATURADOS EN LA INGENIERIA PRACTICA

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PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Como cuantificamos la desaturación en un suelo? Grado de Saturación: S%

Contenido Gravimétrico de Agua: w% Contenido Volumétrico de Agua: θ%

Consecuencia de la variación en grado de saturación: Cambios en succión matricial

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS

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PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS S% uw Ft ua-uw

• Saturación disminuye

• Presión de poro de agua se hace más negativa • Cambio en geometría de menisco activa tensión superficial de interface agua-aire • Succión matricial aumenta

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS

Succión

S% Relación Constitutiva Fundamental en la Mecánica de Suelos No-Saturados

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AHORA VAYAMOS UN POQUITO MAS LEJOS HABLEMOS DE LA RELACION:

S%

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Relación Constitutiva Fundamental: Soil-Water Characteristic Curve (SWCC)

Degree of Saturation, S

1.0 0.9

Sand

Silt Adivinanza

0.8

Clay

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

0.1

1

10

100

1000

10000

Matric Suction (kPa)

100000 1000000

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PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Relación Constitutiva Fundamental: Soil-Water Characteristic Curve (SWCC)

• • •

•

Mediciones de la relación succión-contenido de humedad es posible en laboratorio y campo

Aunque es posible, determinar la SWCC sigue siendo un gran desafío (tiempo y costo) La SWCC debe ser expresada en forma matemática continua para poder ser empleada en otras predicciones

Es necesario modelar la SWCC a lo largo de todo su rango

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Observando la SWCC en detalle: • • • • • •

Contenido de agua en S%, w% ó θ% Histéresis

θS : contenido de agua saturado

ψb : air entry value AEV θr : contenido de agua residual ψr : succión residual

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PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Modelamiento Matemático de la SWCC

Tres modelos comunmente adoptados:

1. 2. 3.

Brooks and Corey (1964) Van Genuchten (1980)

Fredlund and Xing (1994) Fredlund and Xing (1994)

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Fredlund and Xing (1994)

C : factor de corrección que fuerza la succión a 106 kPa cuando S=0% a, m, n, ψr : constantes que tienen una interpretación física en el modelo

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PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Fredlund and Xing (1994)

Constante “a” esta relacionada con AEV

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Fredlund and Xing (1994)

Constante “n” esta relacionada con la distribución de tamano de poros (transicion en puntos de inflexión)

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PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Fredlund and Xing (1994)

Constante “m” esta relacionada con la distribución de tamano de poros (pendiente de la curve)

VAYAMOS POR MAS…

…ESFUERZOS EN EL SUELO DE MICRO A MACRO!

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PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Variables del Estado de Esfuerzos

• •

• •

Los suelos no-saturados son un sistema de tres fases Cantidad y presión relativas tanto de la fase gaseosa como líquida, tienen impacto directo en el estado de esfuerzos a nivel microscópico (intra-particular) Tal impacto se refleja en la escala macroscópica (Ejemplo: resistencia al corte y cambios de volumen)

Es fundamental entender cambios en el estado de esfuerzo bajo condiciones no-saturadas para poder analizar y diseñar sistemas geotécnicos (Ejemplo: falla de taludes inducidas por precipitación)

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES EN SUELOS NO-SATURADOS Variables del Estado de Esfuerzos

Presiones de Poro de Agua “Negativas” Succión Matricial Esfuerzo Normal Neto GWT

(ua - uw)

(s – ua)

Cambios impuestos por el hombre (diseño)

(s – uw)

Esfuerzo Efectivo

Presiones de Poro de Agua “Positivas”

Cambios producidos por el régimen climático

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EL ESTADO DE ESFUERZOS EN SUELOS NO-SATURADOS

Esfuerzos Totales σ1

Esfuerzos Efectivos (Suelo Saturado)

Esfuerzo Neto+ Succion (Suelo No-Saturado) σnet = (σ1 - ua)

σ'1 = (σ1 - uw)

σ‘2 = (σ2 - uw)

σ2 σ3

(ua - uw)

σnet = (σ2 - ua) (ua - uw)

(ua - uw)

σ‘3 = (σ3 - uw)

σnet = (σ3 - ua)

Terzaghi

Fredlund and Rahardjo

EL ESTADO DE ESFUERZOS EN SUELOS NO-SATURADOS

Esfuerzos Totales σ1

Esfuerzos Efectivos (Suelo Saturado) σ'1 = (σ1 - uw)

σ'1 = (σ1 - ua) + χ(ua - uw)

σ‘2 = (σ2 - uw)

σ2 σ3

Esfuerzos Efectivos (Suelo No-Saturado)

σ‘3 = (σ3 - uw)

Terzaghi

σ‘2 = (σ2 - ua) + χ(ua - uw)

σ‘3 = (σ3 - ua) + χ(ua - uw)

Bishop

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EL ESTADO DE ESFUERZOS EN SUELOS NO-SATURADOS

Esfuerzo Effectivo (Bishop)

VS.

Esfuerzo Neto + Succión (Fredlund and Rahardjo)

+

=

ESFUERZOS EFECTIVOS DE BISHOP • •

•

Para suelos saturados, uw es positiva e imparte compresión, reduciendo esfuerzos efectivos

Para suelos no-saturados, uw es negativa y genera fuerzas de tensión entre partículas, aumentando los esfuerzos efectivos Bishop (1959) propone una adaptación a los esfuerzos efectivos de Terzaghi : esfuerzo neto externo

: esfuerzo interno intraparticular

χ : parámetro de esfuerzo efectivo

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ESFUERZOS EFECTIVOS DE BISHOP •

Comprender los esfuerzos internos de succión y su dependencia en el grado de saturación S% ha sido y sigue siendo un gran desafío

ESFUERZOS EFECTIVOS DE BISHOP •

•

Ecuación de Bishop: eslabón conceptual, simplístico y racional entre la física intraparticular a nivel micro y el comportamiento mecánico a nivel macro Sin embargo…  



Relaciona dos “variables del estado de esfuerzo” mediante una propiedad del suelo de valor único

Por lo tanto, no es variable de estado de esfuerzo sino una ecuación constitutiva

χ para comportamiento en cambio volumétrico difiere de χ cuando se evalúa resistencia al esfuerzo cortante (naturaleza inconsistente)

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ESFUERZOS EFECTIVOS DE BISHOP







Basado en relación exclusiva S%-χ, se especula χ en rango de 0 a 1. Sin embargo, existe evidencia experimental donde χ > 1 Si bien es correcto vincular fuerzas en equilibrio con deformaciones a traves del comportamiento constitutivo, no es fundamentalmente correcto incorporar comportamiento constitutivo en el estado de esfuerzos

Investigaciones conluyen: uso de variables independientes del estado de esfuerzo proporciona la flexibilidad necesaria para describir comportamiento en suelos no-saturados

LAS COSAS AHORA SE VEN UN POCO DIFERENTE, CIERTO?

…VEAMOS AHORA COMO CAMBIA EL MAPA GEOTECNICO

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CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Caso: Suelos en Condición “Saturada”

Resistencia al Corte: máxima resistencia interna por unidad de área en el plano de falla

CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Caso: Suelos en Condición “No-Saturada”

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CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Caso: Suelos en Condición “No-Saturada”

Escario, 1980

CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB

Criterio Extendido para Suelo “No-Saturado” (Fredlund et al., 1978)

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CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Criterio Aplicando Esfuerzos Efectivos de Bishop para Suelo “No-Saturado”

Ec.1 Ec.2 Sustituyendo 2 en 1… Ec.3

CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Criterio Aplicando Esfuerzos Efectivos de Bishop para Suelo “No-Saturado”

Algún parecido con criterio extendido de Fredlund?

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CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Comparando Criterios

VS.

Fredlund Bishop

Versión Unificada:

CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Comparando Criterios

Versión Unificada:

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CRITERIO DE FALLA MOHRÓ-COULOMB Comparando Criterios

Versión Unificada: c’ + c” : cohesión aparente c’, cohesión tradicional : resistencia al corte que proviene de las fuerzas físico-químicas interparticulares c”, cohesión capilar: contribución de los esfuerzos de succión en términos de resistencia al corte

CRITERIO DE FALLA MOHR-COULOMB Representación de la Versión Unificada

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PERFIL DE PRESIONES LATERALES DEL SUELO Perfiles de Presiones en Reposo

PERFIL DE PRESIONES LATERALES DEL SUELO Profundidad de Grietas

Presencia de grietas implica dos ajustes en cálculo de presiones laterales: 1) los esfuerzos inician desde el fondo de grieta más profunda, 2) peso del suelo agrietado se incluye en cálculo como sobracarga

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CAPACIDAD PORTANTE

Aplicando la Teoría de Terzaghi a Suelos No-Saturados

CAPACIDAD PORTANTE

Aplicando la Teoría de Terzaghi a Suelos No-Saturados

Como se aplica a suelos no-saturados? c = c’ + c”

c = c’ +

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ESTABILIDAD DE TALUDES

Incorporando Principios de Suelos No-Saturados El factor de seguridad aumenta con el aumento de succión matricial, el cual tiene un impacto directo en el incremento de cohesión capilar como se puede apreciar en la figura

ESTABILIDAD DE TALUDES

Incorporando Principios de Suelos No-Saturados

Sin considerar presión negativa • •

Considerando presión negativa

El factor de seguridad, FS aumenta Profundidad de la línea de falla aumenta

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PERO LA COSA NO SOLO SE COMPLICA EN EL PAPEL… ….EN EL LABORATORIO TE TOCA TRABAJAR MAS

MEDICION DE SUCCION Introducción

Degree of Saturation, S

1.0 0.9

Sand

0.7

Clay

0.8

Silt

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

0.1

1

10

100

1000

10000

Matric Suction (kPa)

100000 1000000

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MEDICION DE SUCCION

Rangos Aproximados de Medición para Diversas Técnicas

MEDICION DE SUCCION

Técnicas de Campo y Laboratorio

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MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Técnica de Traslación de Ejes (Axis Translation)

Soil Sample

TIPO DE ESCALA

PRESION DE AIRE

BAROMETRICA

0 kPa

ABSOLUTA

101.3 kPa

Fenómeno de cavitación puede ocurrir cuando la presión de agua se aproxima a la presión de vapor de agua

MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Técnica de Traslación de Ejes

TIPO DE ESCALA

PRESION DE AIRE

ABSOLUTA

101.3 kPa

MEDIDOR

0 kPa

Fenomeno de cavitación puede ocurrir cuando la presión de agua se aproxima a la presión de vapor de agua

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MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Técnica de Traslación de Ejes En el Campo

En el Laboatorio

(ua - uw) = 150 kPa

(+) Presión de Poro de Agua ua = uw = 0 kPa

ua = 0 kPa

(ua - uw) = 150 kPa

ua = 150 kPa

Con Traslación de Ejes uw = 0 kPa

(-) Presión de Poro de Agua uw = -150 kPa

Traslación de Ejes: elevamos ua manteniendo uw a un valor referencial medible sin peligro de cavitación

MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Técnica de Traslación de Ejes

La presión de poro de agua se incrementa en la misma magnitud del incremento en presión de poro de aire. El rol de el High Air Entry (HAE) disk es fundamental

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MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Propiedades de los Materiales HAE

Los poros saturados en el HAE disk actúan como conexión hidráulica entre el agua de poro en el espécimen, y el reservorio de agua del sistema de medición

MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Propiedades de los Materiales HAE

En tanto el HAE disk se mantenga saturado, solo agua puede fluir a través de él, mas no aire. El HAE disk se desatura cuando la presión de aire alcanza el valor HAE

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6/8/2017

MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Propiedades de los Materiales HAE

El máximo valor de succión a aplicar en el laboratorio será determinado en gran parte por el valor HAE del disco

MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Propiedades de los Materiales HAE

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MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Medición de la SWCC

MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Fredlund’s Device

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MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Técnica del Papel de Filtro •

•

•

•

La succión se obtiene indirectamente midiendo la humedad transferida al papel filtro

Método de “No-Contacto” es para medir succión total Método de “Contacto” es para medir succión matricial solamente Curvas de calibración para papel filtro disponibles

MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Técnica del Papel de Filtro

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MEDICION DE SUCCION EN LABORATORIO Técnica del Papel de Filtro

MEDICION DE SUCCION EN CAMPO Tensiómetros

• •

Mide presión de agua de poro negativa

Rango de medición limitado por el valor HAE del cuerpo cerámico y la capacidad del agua para sostenerse bajo presión negativa sin sufrir cavitación

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MEDICION DE SUCCION EN CAMPO Tensiómetros de Alta Capacidad

•

Miden hasta 1500 kPa de presión negativa

MEDICION DE SUCCION EN CAMPO

Sensores de Conductividad Eléctrica/Termal • •

•

La conductividad eléctrica/termal de medios porosos es función directa del contenido de humdad Si la conductividad eléctrica/termal de medios porosos es medida, la succión puede obtenerse indirectamente a través de una curva de calibración

La conductividad eléctrica de sensores es muy sensible a cambios en conductividad que no están relacionados con contenidos de humedad. Por lo tanto, los sensores de conductividad termal gozan de mayor aceptación

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MEDICION DE SUCCION EN CAMPO

Sensores de Conductividad Eléctrica/Termal

•

• •

El aumento de temperatura al calentar el elemento depende del contenido de humedad en equilibrio SWCC de bloques porosos da la succión bajo equilibrio

La succión en el sensor es la misma que la del suelo que lo rodea

MEDICION DE SUCCION EN CAMPO

Sensores de Conductividad Eléctrica/Termal

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REFERENCIAS •

•

Fredlund, D. G., and H. Rahardjo. Soil Mechanics for Unsaturated Soils, John Wiley and Sons Inc., New York, NY, 1993, 544 pp.

Lu, N. and W.J. Likos. Unsaturated Soil Mechanics, John Wiley and Sons, Inc. New York, NY, 2004, 584 pp.

Fin de la Presentación Gracias!

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