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Resumen de los trabajos realizados en el Laboratorio de Geomateriales de la Universidad Católica de la Santísima Concepción Boletín Informativo
Número 1 - Octubre 2013
MUESTRA OBTENIDA 160, DESPUÉS DE UN
Hinchamiento Presión de hinchamiento e hinchamiento libre de muestras de roca pulverizada. Página 2
Bender Elements Ensayos edométricos instrumentados con Bender Elements para la medición de la velocidad de ondas de corte en arenas BíoBío. Tesis de Magíster en Geotecnia de Juan Ayala. Página 3
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Ruta 160 Ensayos triaxiales, de corte directo, consolidaciones y de compresión no confinada a muestras recibidas en laboratorio provenientes de sondajes realizados en la Ruta 160. Página 4
Muestras talladas v/s Remoldeadas
Diferencias encontradas para ensayos triaxiales Página 5
D E L S U B - S U E L O D E L A R U TA E N S AY O D E C O R T E D I R E C T O
Elasticidad de muros de albañilería Estudio de las propiedades elásticas de prismas de albañilería sometidos a compresión. Página 5
Mecánica de Suelos Nueva experiencia de los alumnos del curso de Mecánica de Suelos de Ingeniería Civil e Ingeniería Civil Geológica, que realizan los ensayos del curso por su propia cuenta. Página 6
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EDITORIAL Los geomateriales, comprenden diversas áreas de la Ingeniería Civil. Desde los suelos más finos como las arcillas, pasando por las arenas, hasta llegar a los bloques y a la misma roca y, por supuesto, al hormigón y el asfalto. Los geomateriales son parte importante del quehacer del Ingeniero Civil. El estudio y comprensión de los geomateriales es de suma importancia en la formación de un Ingeniero Civil e Ingeniero Civil Geológico, por lo mismo, varios cursos de pre- y post-grado hacen uso del Laboratorio de Geomateriales (LGM) durante el año. El laboratorio atiende los requerimientos de docencia, investigación y asesorías externas que comprenden a los geomateriales. De esta forma se realizan clases de laboratorio; diversos tipos de ensayos de laboratorio como triaxiales y corte directo entre otros y ensayos en terreno, como placa de carga, cono dinámico y exploración de suelos. Además realizan ensayos de compresión para el control de la resistencia del hormigón e investigación en albañilería y materiales complejos como la zeolita. Este boletín tiene como objetivo difundir el trabajo que se realiza “allá abajo”, como se conoce este sector del campus San Andrés. No es fácil dar las indicaciones al que nos visita por primera vez, ya que el laboratorio se ubica en un sector poco conocido y casi escondido. Sin embargo, esperamos que esto cambie y nuestro laboratorio se transforme en un referente en el estudio e investigación de los geomateriales. Junto con difundir, invitamos y motivamos a alumnos, académicos y empresas a visitar el Laboratorio de Geomateriales, y conocer el trabajo que aquí se realiza. En este número se describen brevemente los trabajos realizados durante el primer semestre de 2013, tanto en investigación como en asesorías externas. Se presentan también el trabajo realizado con los alumnos del curso de Mecánica de Suelos.
Mauro Poblete Freire
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Hinchamiento en roca pulverizada
se elimina el error causado por el operador al momento de tomar los datos y además se agiliza el proceso posterior de análisis de los mismos.
El Instituto de Geología Económica Aplicada (GEA) de la Universidad de Concepción, solicita al Laboratorio de Geomateriales la realización de pruebas de hinchamiento y presión de hinchamiento a muestras pulverizadas de roca.
Ensayos triaxiales a muestras del fondo marino
Se concluyeron diez ensayos en total, cinco ensayos de hinchamiento y cinco de presión de hinchamiento. Los ensayos fueron realizados con los oedómetros del laboratorio de Geomateriales.
Para la empresa EMPRO Ltda., se realiza una serie de ensayos triaxiales consolidados no drenados a muestras obtenidas de sondajes bajo el lecho marino, en la comuna de Talcahuano.
La preparación de las probetas consiste en comprimir el polvo de roca con una prensa hidráulica, aplicando hasta 14 toneladas con el objetivo de formar una pastilla densa que posteriormente será sometida a ciclos de carga.
Las muestra recibidas en el Laboratorio de Geomateriales fueron extraídas a profundidades de 14 y 17 m de profundidad bajo el lecho marino. Se utilizaron tubos saca muestra de 50 mm de diámetro, lo que permite usarlas directamente en el equipo triaxial, que acepta probetas de hasta 75 mm.
Las probetas de polvo de roca compactado se someten a presiones de hasta 1,5 MPa. Debido a la composición de las muestras, cada ensayo oedométrico de hinchamiento y presión de hinchamiento puede durar hasta siete días.
Corte directo para estudio de muro de contención en Talcahuano La empresa Constructora Mayor, solicita la realización de ensayos de corte directo para el estudio de un muro de contención en la ciudad de Talcahuano. Para la caracterización geotécnica y el estudio de la resistencia al corte de un suelo arcilloso de la ciudad de Talcahuano, se requirió al Laboratorio de Geomateriales la realización de ensayos de corte directo a muestra talladas de un bloque de suelo, recibido en laboratorio. La preparación de las muestras se realizó tallando cuidadosamente el bloque de arcilla recibido hasta formar una probeta prismática de 10 x 10 x 3 cm, que se introduce en el marco de carga del equipo de corte directo. Posteriormente se satura, se consolida y se somete al corte. Se ensayaron tres probetas de similares características, lo que permitió realizar el ajuste correspondiente para obtener el ángulo de fricción interna y la cohesión en los estados máximo y residual de la muestra de suelo. El equipo de corte directo con que cuenta el Laboratorio de Geomateriales permite realizar la captura de datos de manera digital, por lo que se pueden almacenar hasta mil lecturas durante el proceso de corte de manera automática. Con esto
Se prepararon probetas de 100 mm de altura y fueron sometidas a los procesos de saturación, consolidación y carga. La consolidación isotrópica a cada una de las probetas se realiza a presiones efectivas de 120, 250 y 300 kPa, respectivamente. En el ensayo triaxial consolidado no drenado, como su nombre lo indica, la probeta se somete a una carga no drenada. Es decir, se mantiene cerrada la válvula del drenaje de la probeta impidiendo con ésto el cambio de volumen de la misma. El efecto que esto produce en la probeta es un aumento continuo de las presiones de poro. El aumento de presiones de poro, así como la deformación y carga vertical son almacenados en el computador automáticamente mediante transductores, de forma similar a lo ya mencionado para el ensayo de corte directo. Con el ensayo triaxial se pueden obtener las trayectorias de tensiones del suelo ensayado. En este caso las trayectorias totales son diferentes a las efectivas, ya que el ensayo se realiza no drenado. Un ejemplo de las trayectorias de tensiones efectivas se muestra en la siguiente figura.
Con los resultados obtenidos se pueden estimar los valores del ángulo de fricción no drenado y cohesión no drenada del suelo estudiado.
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Bender Elements En el marco de su tesis de Magíster en Ingeniería Geotécnica, Juan Ayala realiza una serie de ensayos oedométricos en arenas Bío-Bío, con ayuda de Bender Elements para medir velocidades de ondas de corte. Los Bender Elements son transductores electro mecánicos que al recibir una tensión eléctrica se deforman, flexionándose. Sirven principalmente para medir el tiempo de viaje de las ondas de corte en muestras de suelo en laboratorio. Trabajan en pares, emisor-receptor, uno en cada parte de la muestra que se desea analizar.
Funcionamiento de los Bender Elements Al aplicar una tensión eléctrica, el elemento emisor se flexiona, transmitiendo una onda mecánica de corte a la muestra de suelo. La onda viaja a través de la muestra hasta el elemento receptor, donde la estructura cristalina del piezo-cerámico del receptor al ser deformada mecánicamente por el suelo, genera una tensión eléctrica con la finalidad de que el elemento recupere su posición inicial. Las tensiones eléctricas de ambos elementos son enviadas a un osciloscopio en el cual son transformadas de tensiones eléctricas de análogas a señales digitales, las que son registradas adicionalmente con los tiempos en que cada una de ellas ocurren. Así es posible medir el tiempo de viaje de estas ondas de corte, lo que combinado con la distancia entre los sensores permite obtener la velocidad de la onda de corte, parámetro que se utiliza para la clasificación sísmica del terreno. Además, en conjunto con la densidad del material, permite encontrar el módulo de corte máximo de las muestras de suelos.
Equipo oedométrico adaptado con celda de plexiglás para la instrumentación de la probeta con bender elements conectado al generador de señales. Aplicaciones Las aplicaciones de esta metodología son muy variadas y van desde obtener la rigidez del suelo, hasta incluso poder estimar el potencial de licuación.
Probeta de arena Bío-Bío montada en equipo oedométrico y sometida a carga. Se observa elemento montor acoplado a la parte superior de la probeta.
Actualmente Juan se encuentra trabajando en la sede chilena de la empresa Golder Associates.
Continuación de la investigación
Presentación en 5to Congreso Internacional de Ingenieros Geotécnicos jóvenes
Con este sistema experimental se pueden estudiar y realizar mediciones tanto para suelos granulares como fino. Estos últimos pueden ser tanto limos como arcillas en diferentes estados de tensiones.
Juan Ayala presenta el tema “Measurements of the travel time of shear waves in granular soils using bender elements” en el 5to Congreso Internacional de Ingenieros Geotécnicos jóvenes, realizado entre el 31 de agosto y el 1 de septiembre en Paris.
El sistema también puede montarse en un equipo triaxial, lo que permitiría la realización de ensayos con razones de tensión (horizontal/vertical), distintas. Así como la realización de ensayos a muestras inalteradas extraídas directamente de tubos saca muestra provenientes de sondajes.
Oferta de tema de tesis: Continuando con el trabajo realizado por Juan Ayala se ofrece la oportunidad de desarrollar investigación relacionada con Bender Elements a alumnos de pre- y postgrado. Contacto: mauro@ucsc.cl y avillalo@ucsc.cl
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Ruta 160, caracterización geotécnica A solicitud de la empresa Profund S.A. se realizan ensayos triaxiales, de corte directo, de consolidación y de compresión no confinada. Más de 30 ensayos en tres meses de intenso trabajo de laboratorio. La mayor serie de ensayos realizada por el Laboratorio de Geomateriales para caracterizar y clasificar suelos de ruta local. Las muestras recibidas en laboratorio fueron extraídas de sondajes realizados en la Ruta 160 mediante tubos saca muestras a profundidades que varían entre los 5 y 23 m de profundidad. Cada uno de los 15 tubos recibidos contiene entre 35 y 45 cm de muestra de 60 mm de diámetro. La figura A muestra el extractor hidráulico con que cuenta el Laboratorio de Geomateriales. La muestra extraída se debe preparar de diferentes maneras dependiendo del ensayo al que va a ser sometida.
Ensayos triaxiales Se realizan ensayos triaxiales consolidados no drenados a cuatro de las muestras, en total ocho ensayos triaxiales a probetas de 50 mm de diámetro y 100 mm de alto. 4
Fue necesario tallar las muestras para reducir su diámetro a 50 mm.
Ensayos de corte directo Los ensayos de corte directo se realizan a cuatro de las muestras
de alto. Estas probetas fueron sometidas a ciclos de carga, descarga y recarga. El tipo de suelo ensayado requiere que para cada aumento de la carga sea necesario esperar por lo menos 24
A) Extractor de muestras, B) Probeta de suelo sometida una vez concluido el ensayo de corte directo , C) Probeta de suelo sometida a compresión no confinada. recibidas, en total doce ensayos realizados a probetas cilíndricas de 60 mm de diámetro y 28 mm de alto en promedio. La figura B muestra una de las probetas al finalizar el ensayo.
Ensayos de consolidación Se ejecutan nueve ensayos de consolidación a probetas de 50 mm de diámetro y en promedio 30 mm
horas, lo que se traduce en que cada ensayo de consolidación tiene una duración de entre cinco y siete días.
Ensayos de compresión no confinada Se realizaron seis ensayos de compresión no confinada. Se utilizaron muestras de 60 mm de diámetro y 120 mm de alto.
La figura C muestra una de las probetas al momento de la falla.
Clasificación de los suelos Además de los ensayos anteriores las muestras se clasificaron mediante el método unificado (USCS), para lo cual fue necesario realizar ensayos granulométricos (tamizado), ensayos de consistencia y ensayos para estimar la gravedad específica de los sólidos (GS), de todas las muestras recibidas.
Restos marinos Por tratarse de suelos cercanos a la costa, se observó presencia de moluscos en algunas de las probetas extraídas. Un ejemplo de ello se muestra en la foto principal en que se encuentra una concha de aproximadamente 60 mm de largo en perfecto estado de conservación. Esto corresponde a una muestra extraída a una profundidad de aproximadamente 20 m.
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Triaxiales a muestras talladas y remoldeadas A solicitud de la empresa Terrasonda se ejecutan ensayos triaxiales consolidados drenados a probetas de suelo arcilloso. La particularidad del trabajo realizado consiste en que se comparan los resultados de probetas remoldeadas con probetas talladas, a partir de una muestra inalterada extraída en terreno. Se realizan un total de seis ensayos triaxiales consolidados drenados a muestras de arcilla. Tres de ellos a muestras inalteradas y otros tres a muestras remoldeadas. Las dimensiones de todas las probetas son aproximadamente 100 mm de alto y 50 mm de diámetro. Las probetas talladas se trabajaron a partir de un bloque de arcilla recibido en el Laboratorio de Geomaeriales. Cuidadosamente se preparan las probetas cilíndricas a partir de dicho bloque, hasta llegar a las dimensiones requeridas. Se procede luego a la saturación, consolidación y corte drenado de las probetas. Para el caso de las probetas remoldeadas, el proceso de preparación consiste en compactar el material por capas, hasta lograr una probeta homogénea de la mismas características (densidad y humedad) del suelo original. Posteriormente se continúa el mismo proceso de ensayo ejecutado anteriormente. Los resultados obtenidos nos muestran la importancia de utilizar probetas talladas por sobre las remoldeadas, ya que en estas últimas el proceso de remoldeo rompe toda la estructura original del material estudiado. Esto se comprueba observando que el comportamiento de las probetas talladas es el de un suelo preconsolidado. En cambio en las probetas remoldeadas no queda rastro de preconsolidación y el comportamiento es el de un suelo normalmente consolidado.
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Consolidaciones para Análisis de edificio en Concepción vibraciones en muros Los ensayos de consolidación permiten de albañilería determinar, entre otras cosas, el asentamiento que se producirá en un suelo fino. Para la construcción de un edificio en la ciudad de Concepción la empresa LIEM Ltda., solicita la realización de de estos ensayos. Las muestras recibidas fueron extraídas a 21 y 25 metros de profundidad. En el laboratorio se procede a preparar las muestras introduciendo el material recibido en el anillo de carga, para luego ser montado en el oedómetro donde se realiza el proceso y ciclos de carga, descarga, recarga y nuevamente descarga. Mediante este procedimiento se puede evaluar la disminución del índice de vacíos producto del aumento del esfuerzo normal. Esta disminución del volumen de vacíos de la probeta se debe a un reacomodo de las partículas de suelo, pasando del estado actual a uno más denso a medida que aumentan las cargas. Como se trata de suelo fino el cambio volumétrico no se produce inmediatamente después de aplicar la carga, sino que puede llegar a a tardar varias horas e incluso días en el caso de suelo muy fino. Cuando se logra el máximo asentamiento para un determinado estado de carga y ya no se producen cambios de volumen, se procede a aplicar una carga superior. Esto se conoce como escalones de carga. En el caso estudiado se aplican cinco escalones de carga, uno de descarga, 3 de recarga y finalmente cinco de descarga; nuevamente en un periodo de entre siete y nueve días. La siguiente figura muestra la disminución de los vacíos con los cliclos de carga - descarga.
Para evaluar la resistencia de muros de albañilería lo mas común es realizar ensayos destructivos. La investigación que lidera el Profesor Claudio Oyarzo busca utilizar el análisis de vibraciones como un método no destructivo y no invasivo, para el estudio de este tipo de muros. Gran parte de los edificios patrimoniales de Chile han sido construidos en base a muros de albañilería. Muchas de las viviendas que actualmente se edifican utilizan este tipo de muros, entre los cuales se pueden diferenciar los de albañilería confinada y armada. La investigación del Dr. Oyarzo, que en parte está siendo desarrollada por el alumno tesista de la carrera de Ingeniería Civil Manuel Chávez Delgado, consiste en la instrumentación de muros de albañilería mediante acelerómetro, con el objetivo de obtener las frecuencias y modos de vibrar del muro. Este tipo de análisis, acompañado de ensayos de compresión realizados a probetas prismáticas de albañilería y mortero, permitirán determinar la resistencia y el módulo de elasticidad de los materiales empleados y finalmente conocer el comportamiento estructural de edificios patrimoniales de albañilería. Cada ensayo de vibraciones consiste en instalar diez acelerómetros en diferentes partes del muro que registran las aceleraciones que este presenta al recibir un golpe con martillo de goma. En total en cada muro se realizan 9 ensayos y cada uno registra aproximadamente 150 mil datos que deben ser analizados computacionalmente para transformar las señales eléctricas medidas en frecuencias y modos de vibrar de la estructura.
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Curso de Mecánica de Suelos Desde este año en la carrera de Ingeniería Civil los alumnos del curso de Mecánica de Suelos realizan todos los laboratorios por su propia cuenta en el Laboratorio de Geomateriales.
Experimentar es fundamental en los cursos de Ingeniería, sobre todo en cursos que estudian fenómenos físicos como la mecánica de suelos. Los alumnos del curso de Mecánica de Suelos I, durante el primer semestre de 2013, participan activamente de los ensayos de laboratorio que comprende la parte práctica del curso. La clase de laboratorio tradicional consiste en ver cómo el laboratorista o un alumno ayudante realiza la experiencia haciendo una demostración del funcionamiento de los equipos del laboratorio. Este año se repite la clase práctica de forma similar a la tradicional (figura principal), con la novedad de que los alumnos, formando grupos, deben repetir por su propia cuenta las experiencias observadas, obteniendo sus propios resultados. Este cambio se traduce inmediatamente en un aumento del flujo de estudiantes que diariamente y por grupos asisten al Laboratorio de Geomateriales, donde son orientados y asistidos por Eladio Leiva, ayudante de laboratorio, y Mauricio Poblete, técnico académico (ver pag. 7). Los ensayos realizados se comentan a continuación. Durante el segundo semestre de 2013 se proyecta continuar con este tipo de actividades en el resto de los cursos.
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Clasificación de suelos Este ensayo consiste en conseguir una muestra de suelo, identificar su origen, realizar una descripción visual del material obtenido, obtener una distribución granulométrica de las partículas gruesas (mayores a 0,075 mm) y estudiar la plasticidad de las partículas finas (limos y arcillas). Todo lo anterior con el objetivo de clasificar la muestra según el método unificado de clasificación de suelos (USCS).
Compactación de suelos y densidad relativa La compactación de los suelos de diversas obras de Ingeniería Civil se debe estudiar y controlar en terreno y laboratorio. El procedimiento de ensayo consiste en tomar el suelo de estudio y luego de ser secado en horno, humectarlo con diferentes contenidos de humedad. A cada una de las muestras (entre 3 y 6) se le realiza el ensayo Proctor Modificado, que consiste en compactar por capas la muestra dentro de un molde estandarizado, con un pisón de masa y altura de caída controladas. A la muestra compactada resultante se le calcula la densidad húmeda y seca. Variando la humedad se obtiene la curva de compactación, con lo que se
determina la humedad óptima y la densidad seca máxima. También se obtienen la densidad máxima y mínima de la arena Bío-Bío.
Ensayo de corte directo Como ya se ha explicado en otros apartados de este boletín, el ensayo consiste en estudiar el comportamiento de una muestra de suelo al ser sometida a esfuerzos de corte. En este caso se realizó el estudio de la arena Bío-Bío, donde cada grupo ensayó una muestra de suelo preparada con diferentes densidades (sueltas y densas), para luego obtener el índice de vacíos crítico de esta arena.
Equipo de corte directo (izquierda) y muestra cortada de arena Bío-Bío (derecha).
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Equipo de trabajo Los profesionales altamente calificados que integran el equipo de trabajo del Laboratorio de Geomateriales desempeñan actividades de investigación y vinculación con el medio, mediante asesorías y servicios externos.
Mauro Poblete Freire
Guillermo Bustamante L.
Felipe Villalobos Jara
Mauricio Poblete Henríquez
Eladio Leiva Pereira
Director del Laboratorio de Geomateriales (LGM) es Ingeniero Civil por la Universidad Austral de Chile. Realiza sus estudios de doctorado en el Instituto de tecnología de Karlsruhe, Alemania, mediante una beca del DAAD (Servicio de intercambio académico Alemán).
Profesor asistente y Director del Departamento de Ingeniería Civil de la UCSC es Ingeniero Civil por la Universidad de Concepción. Es el encargado del centro de gestión del Laboratorio de Geomateriales.
Asesor LGM, es Ingeniero Civil por la Universidad de concepción, Magíster en Ingeniería por la Universidad Católica de Chile y Doctor en ingeniería por la Universidad de Oxford, Inglaterra. Es además director del Magísten en Ingeniería Geotécnica de la UCSC.
Técnico académico, es Técnico Universitario en Electrónica Industrial por la Universidad Técnica Federico Santa María. Es el encargado de supervisar el desarrollo de los ensayos en el laboratorio y se encarga de la mantención y mejoras de los equipos.
Ayudante de Laboratorio, es Licenciado en ciencias de la Ingeniería por la Unviersidad Católica de la Santísima Concepción. Especializado en ensayos triaxiales orienta y supervisa a los estudiantes en sus prácticas de laboratorio.
Alumnos Tesistas que desarrollan su investigación en el LGM: Francisco Acuña, Leonel Contreras, Maribell González, Paula Rodríguez, Pablo Sanzana.
Invitaciones
Temas de tesis propuestos
1.- Para realizar tesis de pregrado
— Estudios de estructuras de contención de excavaciones — Determinación de las propiedades geotécnicas y químicas de la laminilla — Geotecnia sísmica y dinámica de suelos — Mejoramiento y refuerzo de suelos — Determinación directa de parámetros geotécnicos a partir de ensayos in situ no destructivos para el diseño de fundaciones — Utilización de técnicas digitales para el estudio de deformaciones en medios granulares — Mecanismos de falla de pilotes sometidos a cargas sísmicas que licúan estratos de suelos — Estudio de las roturas de tuberías de agua potable — Erosión de los suelos en las obras civiles de la región del Bío Bío — Estudio experimental del módulo de carga de pilas de arena compactada — Fundaciones para turbinas eólicas costa afuera — Fundaciones para estructuras de sistemas de generación de electricidad a partir de fuentes de energía renovable tales como turbinas eólicas en tierra o mar, presas maremotrices o turbinas de corrientes y olas, plantas geotérmicas y series de paneles solares de grandes dimensiones — Estudio de la pérdida de resistencia cíclica de fundaciones debido a la aparición de grietas en suelos arcillosos — Análisis de la eficiencia de procedimientos actuales de depresión de napa freática — Subsidencia del terreno causada por terremotos de gran magnitud y su implicancia en el diseño de estructuras marítimas
Motivamos a los estudiantes de Ingeniería Civil de la Universidad Católica de la Santísima Concepción y de otras Universidades amigas a realizar su tesis de pregrado en el Laboratorio de Geomateriales. Aquí encontrarán un cordial ambiente de trabajo y la posibilidad de realizar su investigación aprovechando los equipos y las instalaciones que nuestro laboratorio les ofrece. La tabla adjunta muestra una lista de los temas de tesis ofrecidos actualmente.
2.- Para realizar estudios de postgrado El Laboratorio de Geomateriales es uno de los pilares del Magister en Ingeniería Geotécnica de la Universidad Católica de la Santísima Concepción. Se invita a Ingenieros Civiles y a otros profesionales de carreras afines a postular al Magíster. Más información sobre los estudios de postgrado y los temas de investigación se encuentra en: www.civil.ucsc.cl/ magister
3.- Ensayos especializados En LGM se realizan estudios geotécnicos y ensayos especializados de laboratorio y terreno que incluyen: ensayos triaxiales, ensayos de placa de carga, ensayos de corte directo, consolidación, etc. Póngase en contacto con nosotros y le daremos la asesoría necesaria para sus proyectos. LGM | UCSC Laboratorio de Geomateriales
Contacto Teléfono: +56 234 5318 Fax: +56 234 5300 E-mail: lgm@ucsc.cl Web: lgm.ucsc.cl Laboratorio de Geomateriales Facultad de Ingeniería Casilla 444, Concepción
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