• Author / Uploaded
• VILCAPAZA11

Citation preview

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LAS METODOLOGÍAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS Y CORTE EN LA EVALUACIÓN DE PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DE SUELOS GRUESOS

TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGISTER EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA MENCIÓN INGENIERÍA GEOTÉCNICA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

LEONARDO HERNÁN DORADOR ORTIZ

PROFESOR GUIA: RAMÓN VERDUGO ALVARADO MIEMBROS DE LA COMISION: CLAUDIO FONCEA NAVARRO PEDRO ACEVEDO MOYANO LENART GONZÁLEZ LAGOS

SANTIAGO DE CHILE JUNIO 2010

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL Y MAGISTER EN CIENCIAS DE LA INGENIERIA MENCIÓN GEOTECNIA POR: LEONARDO HERNÁN DORADOR ORTIZ FECHA: 04-06-2010 PROF. GUÍA: SR. RAMÓN VERDUGO A.

ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LAS METODOLOGÍAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS Y CORTE EN LA EVALUACIÓN DE PROPIEDADES GEOTÉCNICAS DE SUELOS GRUESOS

La obtención de propiedades geotécnicas de suelos granulares gruesos presenta dificultades debido principalmente a los altos costos, falta de equipos y tiempo para ensayar probetas de grandes dimensiones, lo cual ha implicado el desarrollo de metodologías alternativas que puedan estimar la resistencia al corte de este tipo de materiales. Estudios anteriores han concluido que el método de curvas homotéticas es la metodología con mayor éxito en la estimación de la resistencia al corte de suelos granulares gruesos, siempre y cuando se consideren las limitaciones del porcentaje máximos de finos, homotecia perfecta, y mantenimiento de la forma de partículas en las granulometrías escaladas. En esta investigación se estudia otro parámetro relevante correspondiente a la dureza de partículas. Adicionalmente se investiga la efectividad del método de corte por lo atractivo y fácil de ser usado. En el presente trabajo se han utilizado dos materiales para curvas homotéticas: Un enrocado con partículas sanas y meteorizadas, y un ripio lixiviado. Estos materiales fueron ensayados en triaxiales convencionales y en el aparato triaxial de gran escala de IDIEM. También se analizó el método de corte utilizando un material fluvial proveniente del río Aconcagua. Para los 3 materiales se realizaron un total de 60 ensayos triaxiales CID en probetas con dimensiones que variaron entre 5 cm x 10 cm hasta 100 cm x 200 cm. Los resultados y análisis obtenidos en el método de curvas homotéticas muestran que una variación de dureza de partículas en la muestra original y homotética es suficiente para conseguir valores de resistencia diferentes entre las granulometrías escaladas. Considerando el método de corte, se confirma que subestima la resistencia al corte y sobreestima el módulo de deformación, comprobando lo obtenido por otros autores. Sin embargo, es posible agregar que el método de corte podría ser válido para una extracción de sobretamaño de hasta un 20%.

Agradecimientos: Quisiera expresar mis mayores sentimientos de gratitud a mi familia Dorador Ortiz (Wilfredo, Milena, Claudio, Iván y Cristina) por haber estado en todo momento conmigo, y a toda la nueva Familia que sigue creciendo. También agradezco profundamente al Profesor Ramón Verdugo, por sus acertadísimos consejos, sugerencias y gran ayuda durante todo este trabajo de investigación, y por la confianza que siempre ha depositado en mí. Agradezco además a los profesores Claudio Foncea, Pedro Acevedoy Lenart González por sus excelentes comentarios y sugerencias en el desarrollo de esta tesis. También doy las gracias a Karem de la Hoz por sus consejos y ayuda bibliográfica que nunca dudó en prestarme. Doy gracias al personal del Laboratorio de Sólidos; Omar, Mario y Victor con quienes compartí mis últimos meses en la Universidad. Especialmente reconozco toda la gran ayuda brindada por el personal de Geotecnia de IDIEM, quienes tuvieron una gran disposición en facilitarme equipos, implementos y consejos durante todo este año de tesis. Especialmente doy las gracias a todos mis amigos que estuvieron de alguna forma involucrados en este trabajo de investigación. Siempre los tendré presente!! Y finalmente te agradezco profundamente a tí Pamela, por toda tu paciencia y cariño que me has entregado estos últimos años.

Índice de contenido 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 10 2. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 12 2.1. OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................. 12 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................... 12 3. MARCO TEÓRICO.......................................................................................................................... 13 3.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 13 3.2. RESISTENCIA AL CORTE EN MATERIALES GRANULARES GRUESOS ...................................... 13 3.3. MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE RESISTENCIA AL CORTE DE MATERIALES GRANULARES GRUESOS ...................................................................................................................................... 15 3.3.1. Método de corte ........................................................................................................... 15 3.3.2. Método de corte y reemplazo ...................................................................................... 18 3.3.3. Método de la matriz ..................................................................................................... 19 3.3.4. Método de gradación paralela o curvas homotéticas .................................................. 23 3.3.4.1.

Resultados de Gesche (2002) ................................................................................ 24

3.3.4.2.

Resultados de De la Hoz (2007)............................................................................. 31

3.3.5. Resumen de las metodologías existentes..................................................................... 42 3.4. VARIABLES DE ESTADO DE SUELOS GRANULARES ............................................................... 43 3.4.1. Variables intrínsecas del material................................................................................. 43 •

Dureza de partículas........................................................................................................ 43

•

Forma de las partículas ................................................................................................... 46

•

Granulometría ................................................................................................................. 48

•

Tamaño de partículas ...................................................................................................... 50

•

Densidades límites de un suelo ....................................................................................... 51

3.4.2. Variables de estado del material .................................................................................. 52 1

•

Densidad relativa (DR)..................................................................................................... 52

•

Número de contacto entre partículas ............................................................................. 53

•

Humedad en partículas gruesas ...................................................................................... 55

•

Fábrica ............................................................................................................................. 57

•

Relación diámetro probeta v/s tamaño máximo partícula ............................................. 59

3.4.3. Nivel de tensiones ........................................................................................................ 60 3.4.4. Rotura de partículas ..................................................................................................... 63 4. SUELOS ENSAYADOS .................................................................................................................... 66 4.1. ENROCADO E.R PARA CURVAS HOMOTÉTICAS .................................................................... 66 4.2. ENROCADO R.L PARA CURVAS HOMOTÉTICAS .................................................................... 68 4.3. MATERIAL RÍO ACONCAGUA (A-2) PARA MÉTODO DE CORTE ............................................ 71 5. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y PROCEDIMIENTO DE ENSAYOS. ..................................................... 74 5.1. EQUIPOS TRIAXIALES CONVENCIONALES UTILIZADOS ......................................................... 74 5.1.1. Equipo Triaxial N°1, Laboratorio de Sólidos y Medios Particulados. ............................ 74 5.1.2. Equipo Triaxial N°2, Laboratorio de Sólidos y Medios Particulados. ............................ 75 5.1.3. Equipo Triaxial N°3, IDIEM, sección Geotecnia............................................................. 76 5.1.4. Aparato triaxial de gran escala (IDIEM) ........................................................................ 76 5.2. METODOLOGÍA DE ENSAYO ................................................................................................. 79 5.2.1. Materiales ensayados ................................................................................................... 79 5.2.2. Confección de probetas ................................................................................................ 79 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS .............................................................................................................. 82 6.1. METODO DE GRADACIÓN PARALELA- MATERIAL E.R .......................................................... 82 6.1.1. Forma, dureza de partículas y origen geológico ........................................................... 82 6.1.2. Relación tensión deformación ...................................................................................... 83 6.1.3. Módulo de deformación ............................................................................................... 85 2

6.1.4. Ángulo de fricción peak ................................................................................................ 86 6.1.5. Envolvente de falla ....................................................................................................... 87 6.1.6. Rotura de partículas ..................................................................................................... 88 6.2. METODO DE GRADACIÓN PARALELA - MATERIAL R.L .......................................................... 88 6.2.1. Forma, dureza de partículas y origen geológico ........................................................... 88 6.2.2. Relación tensión deformación ...................................................................................... 89 6.2.3. Módulo de deformación ............................................................................................... 91 6.2.4. Ángulo de fricción peak ................................................................................................ 91 6.2.5. Envolvente de falla ....................................................................................................... 92 6.3. METODO DE CORTE - MATERIAL A-2.................................................................................... 93 6.3.1. Forma y dureza partículas ............................................................................................ 93 6.3.2. Relación tensión deformación ..................................................................................... 94 6.3.3. Módulo de deformación ............................................................................................... 98 6.3.4. Ángulo de fricción peak ................................................................................................ 98 6.3.5. Envolvente de falla ..................................................................................................... 100 6.3.6. Rotura de partículas ................................................................................................... 102 6.4. EFECTO DEL COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD (CU). ............................................................ 104 6.4.1. Efecto en el angulo de fricción interna ....................................................................... 104 6.4.2. Efecto en el módulo de deformación ......................................................................... 105 6.5. EFECTO DE LA DENSIDAD RELATIVA (DR) ........................................................................... 106 6.5.1. Efecto en el ángulo de fricción interna ....................................................................... 106 6.5.2. Efecto en el módulo de deformación ......................................................................... 108 6.6. EFECTO DE LA DUREZA DE PARTÍCULAS ............................................................................. 109 6.6.1. Material Alterado v/s Material Sano .......................................................................... 110 6.6.2. Variación del comportamiento del suelo en función de su dureza ............................ 115

3

6.7. DENSIDADES LÍMITES DE UN SUELO .................................................................................. 116 6.8. EFECTO DEL NIVEL DE TENSIONES...................................................................................... 119 6.9. OPTIMIZACIÓN DEL MÉTODO DE CURVAS HOMOTÉTICAS ................................................ 120 7. DISCUSIÓN.................................................................................................................................. 124 7.1. COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD (CU). ................................................................................ 124 7.2. DUREZA Y ESTABILIDAD DE LAS PARTÍCULAS. .................................................................... 124 7.3. DENSIDAD RELATIVA (DR%)................................................................................................ 125 7.4. DENSIDADES LÍMITES DE UN SUELO .................................................................................. 125 7.5. EFECTO DEL NIVEL DE TENSIONES...................................................................................... 125 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..................................................................................... 127 8.1. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 127 8.2. RECOMENDACIONES .......................................................................................................... 129 9. REFERENCIAS .............................................................................................................................. 130

4

Índice de Figuras FIGURA 3-1: CURVA GRANULOMÉTRICA MATERIAL CORTADO RÍO MAIPO SEGÚN DE LA HOZ 2007..................... 16 FIGURA 3-2 DENSIDADES LÍMITES MATERIAL RÍO MAIPO SEGÚN DE LA HOZ 2007. .............................................. 16 FIGURA 3-3: ÁNGULO DE FRICCIÓN PEAK EN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN DE CONFINAMIENTO PARA DISTINTOS PORCENTAJES DE SOBRE-TAMAÑO SEGÚN DE LA HOZ (2007). ....................................................................... 17 FIGURA 3-4: MÓDULO DE DEFORMACIÓN EN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN DE CONFINAMIENTO SEGÚN DE LA HOZ 2007. ...................................................................................................................................................................... 17 FIGURA 3-5: EJEMPLO DE ANÁLISIS DE GRADACIÓN, MÉTODO DE CORTE Y REEMPLAZO SEGÚN IANNACCHIONE (2000). .......................................................................................................................................................... 19 FIGURA 3-6: DIFERENTE CONDICIÓN DE PARTÍCULAS DE SOBRE-TAMAÑO EN MATRIZ DE SUELO SEGÚN FRAGASZY (1990). .......................................................................................................................................................... 20 FIGURA 3-7: COMPARACIÓN RESISTENCIA SUELO PROTOTIPO Y MATRIZ DE SUELO PARA UN DR DE 64 Y 61.2 % RESPECTIVAMENTE SEGÚN DE SIDDIQI (1991). .............................................................................................. 21 FIGURA 3-8: COMPARACIÓN CAMBIO VOLUMÉTRICO SUELO PROTOTIPO Y MATRIZ DE SUELO PARA UN DR DE 64 Y 61.2 % RESPECTIVAMENTE SEGÚN DE SIDDIQI (1991). .................................................................................. 21 FIGURA 3-9: RESULTADOS DE ENSAYOS EN SUELO PROTOTIPO Y MATRIZ DE SUELO SEGÚN DE SIDDIQI (1991)...... 22 FIGURA 3-10: EFECTO DE LA DISMINUCIÓN DE LA DENSIDAD DE CAMPO CERCANO DEBIDO A REMOCIÓN DE PARTÍCULAS DE SOBRE-TAMAÑO SEGÚN FRAGASZY (1992). ......................................................................... 23 FIGURA 3-11: GRANULOMETRÍAS Y DENSIDADES MÍNIMAS Y MÁXIMAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS, MATERIAL A-1. TOMADO DE GESCHE (2002).......................................................................................................................... 25 FIGURA 3-12: GRANULOMETRÍAS Y DENSIDADES MÍNIMAS Y MÁXIMAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS, MATERIAL M-1. SEGÚN GESCHE (2002). ................................................................................................................................. 26 FIGURA 3-13: GRÁFICOS TENSIÓN Y CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN AXIAL MATERIAL A-1. SEGÚN GESCHE (2002). ............................................................................................................................................. 27 FIGURA 3-14: GRÁFICOS MÓDULO DE DEFORMACIÓN (E50) Y ÁNGULO DE FRICCIÓN PEAK V/S NIVEL DE CONFINAMIENTO MATERIAL A-1. SEGÚN GESCHE (2002). ............................................................................ 28 FIGURA 3-15: GRÁFICOS TENSIÓN Y CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN AXIAL, MATERIAL M-1. SEGÚN GESCHE (2002). ............................................................................................................................................. 29 FIGURA 3-16: GRÁFICOS MÓDULO DE DEFORMACIÓN (E50) Y ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA V/S NIVEL DE CONFINAMIENTO, MATERIAL M-1. SEGÚN GESCHE (2002). .......................................................................... 30 FIGURA 3-17: GRANULOMETRÍAS Y DENSIDADES MÍNIMAS Y MÁXIMAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS, MATERIAL M-2 SEGÚN DE LA HOZ 2007. ............................................................................................................................... 32 FIGURA 3-18: GRANULOMETRÍAS Y DENSIDADES MÍNIMAS Y MÁXIMAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS, MATERIAL M-3 SEGÚN DE LA HOZ 2007. ............................................................................................................................... 33 FIGURA 3-19: GRANULOMETRÍAS Y DENSIDADES MÍNIMAS Y MÁXIMAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS, MATERIAL P-1 SEGÚN DE LA HOZ 2007. ............................................................................................................................... 34 FIGURA 3-20: GRÁFICOS TENSIÓN Y CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN, MATERIAL M-2. SEGÚN DE LA HOZ (2007).................................................................................................................................................... 36 FIGURA 3-21: GRÁFICOS MÓDULO DE DEFORMACIÓN (E50) Y ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA V/S NIVEL DE CONFINAMIENTO, MATERIAL M-2. SEGÚN DE LA HOZ (2007). ..................................................................... 37 FIGURA 3-22: GRÁFICOS TENSIÓN Y CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN, MATERIAL M-3. SEGÚN DE LA HOZ (2007).................................................................................................................................................... 38 FIGURA 3-23: GRÁFICOS MÓDULO DE DEFORMACIÓN (E50) Y ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA V/S NIVEL DE CONFINAMIENTO, MATERIAL M-3. SEGÚN DE LA HOZ (2007). ..................................................................... 39

5

FIGURA 3-24: GRÁFICOS TENSIÓN Y CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN, MATERIAL P-1. SEGÚN DE LA HOZ (2007). .......................................................................................................................................................... 40 FIGURA 3-25: GRÁFICOS MÓDULO DE DEFORMACIÓN (E50) Y ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA V/S NIVEL DE CONFINAMIENTO, MATERIAL P-1. SEGÚN DE LA HOZ (2007). ....................................................................... 41 FIGURA 3-26: GRANULOMETRÍAS PRE Y POST ENSAYO EN FUNCIÓN DEL NIVEL DE CONFINAMIENTO PARA LOS 3 MATERIALES ANALIZADOS SEGÚN LO Y ROY (1973). .................................................................................... 44 FIGURA 3-27: RESISTENCIA AL CORTE EN FUNCIÓN DEL NIVEL DE CONFINAMIENTO PARA LOS 3 MATERIALES ANALIZADOS SEGÚN LO Y ROY (1973). ......................................................................................................... 45 FIGURA 3-28: DISMINUCIÓN DE RESISTENCIA CON EL NIVEL DE CONFINAMIENTO PARA DISTINTOS GRADOS DE DUREZA DE PARTÍCULAS SEGÚN MURPHY (1970). ......................................................................................... 46 FIGURA 3-29: PARTÍCULAS CON DIFERENTE ESFERICIDAD Y REDONDEZ. SEGÚN KRUMBEIN Y SLOSS (1963). ....... 47 FIGURA 3-30: CORRELACIÓN DENSIDAD SECA MÁXIMA V/S COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD. KEZDI (1979)......... 49 FIGURA 3-31: DISTINTOS TIPOS DE CURVAS GRANULOMÉTRICAS Y SU DISTRIBUCIÓN EN MATERIAL FINO Y GRUESO, SEGÚN BURMISTER (1938)............................................................................................................................. 49 FIGURA 3-32: CORRELACIONES ENTRE LAS DENSIDADES LÍMITES DE GRAVAS Y ARENAS PROPUESTAS POR DIFERENTES AUTORES. SEGÚN DE LA HOZ (2007). ........................................................................................ 52 FIGURA 3-33: INFLUENCIA DE LA DENSIDAD RELATIVA EN EL ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA. RESUMEN DE RESULTADOS DE AL-HUSSAINI (1983). .......................................................................................................... 53 FIGURA 3-34: NÚMERO DE CONTACTOS PROMEDIO EN FUNCIÓN DE EMPAQUETAMIENTOS GRANULARES HOMOGÉNEOS SEGÚN ODA (1977). ................................................................................................................ 54 FIGURA 3-35: INFLUENCIA DEL NÚMERO DE CONTACTO PROMEDIO EN EL ÁNGULO DE FRICCIÓN CON RESPECTO A SU DESVIACIÓN ESTÁNDAR SEGÚN MOROTO (1975). ..................................................................................... 54 FIGURA 3-36: ROTURA DE GRANOS INFLUENCIADA POR LA HUMEDAD EN LA MUESTRA DE SUELO PARA DISTINTOS NIVELES DE CONFINAMIENTO EN KG/CM2). EN EL EJE VERTICAL PARÁMETRO DE ROTURA DE HARDIN (BR) Y EN EL EJE HORIZONTAL HUMEDAD RELATIVA HR%. ...................................................................................... 56 FIGURA 3-37 : ESQUEMA DE POSIBLE GRIETA EN PARTÍCULA DE ENROCADO SEGÚN OLDECOP ET AL., (2001). ...... 56 FIGURA 3-38: ENSAYOS DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL CON DISTINTOS NIVELES DE CONFINAMIENTO EN COMPRESIÓN Y RECOMPRESIÓN EN MATERIAL ROCKFILL, ADEMÁS DE LA SATURACIÓN COMPLETA Y COLAPSO EN ALGUNOS ENSAYOS. DEFORMACIÓN UNITARIA EN EJE VERTICAL Y TENSIÓN VERTICAL EN EJE HORIZONTAL. SEGÚN OLDECOP ET AL., (2001). ............................................................................................. 57 FIGURA 3-39: EFECTO DE LA FÁBRICA EN LA RESISTENCIA AL CORTE. MODIFICADO DE MITCHELL (1976). .......... 58 FIGURA 3-40: ÁNGULO DE FRICCIÓN SECANTE EN FUNCIÓN DEL NIVEL DE CONFINAMIENTO PARA RADIOS DE DIÁMETRO PROBETAS V/S TAMAÑO MÁXIMO PARTÍCULA ENTRE 4 Y 16. SEGÚN CEA (1994). ........................ 59 FIGURA 3-41: COMPENDIO DE RESULTADOS DE ENSAYOS TRIAXIALES SEGÚN DE LA HOZ (2007). ........................ 60 FIGURA 3-42: RESULTADOS COLLIAT-DANGU ET AL (1988). ................................................................................. 61 FIGURA 3-43: VARIACIÓN DEL ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA EN FUNCIÓN DE LA TENSIÓN DE CONFINAMIENTO PARA BAJAS Y ALTAS PRESIONES. .................................................................................................................. 62 FIGURA 3-44 VARIACIÓN DE LA RAZÓN ENTRE ESFUERZOS PRINCIPALES V/S PARÁMETRO DE ROTURA BG PARA ENROCADOS BIEN GRADUADOS Y UNIFORMES. SEGÚN MARSAL (1973)......................................................... 64 FIGURA 3-45: RELACIÓN LINEAL ENTRE EL MÁXIMO ÁNGULO DE FRICCIÓN CON EL ENSAYO DE ABRASIÓN DE LOS ÁNGELES. SEGÚN GHANBARI (2008). ............................................................................................................ 65 FIGURA 4-1: GRANULOMETRÍAS PARALELAS MATERIAL E.R. ................................................................................ 67 FIGURA 4-2: GRANULOMETRÍAS Y DENSIDADES MÍNIMAS Y MÁXIMAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS E.R. ................ 67 FIGURA 4-3: GRANULOMETRÍAS PARALELAS MATERIAL R.L ................................................................................. 70 FIGURA 4-4: GRANULOMETRÍAS Y DENSIDADES MÍNIMAS Y MÁXIMAS DE CURVAS HOMOTÉTICAS R.L. ................ 70 FIGURA 4-5: CURVAS GRANULOMÉTRICAS UTILIZADAS EN MATERIAL A-2. ........................................................... 72 FIGURA 4-6: DENSIDADES LÍMITES MATERIAL A-2. ............................................................................................... 72

6

FIGURA 5-1: PRENSA TRIAXIAL N°1. MODELO HM-3000 HUMBOLT. .................................................................... 74 FIGURA 5-2: PRENSA TRIAXIAL N°2. MODELO HM-3000 HUMBOLT. .................................................................... 75 FIGURA 5-3: APARATO TRIAXIAL GIGANTE IDIEM SEGÚN VERDUGO (2007). ....................................................... 77 FIGURA 5-4: PANEL DE CONTROL SEGÚN VERDUGO (2007). .................................................................................. 78 FIGURA 6-1: MUESTRAS HOMOTÉTICAS MATERIAL E.R......................................................................................... 83 FIGURA 6-2: RELACIÓN TENSIÓN-DEFORMACIÓN CURVAS HOMOTÉTICAS - MATERIAL E.R. ................................. 84 FIGURA 6-3: MÓDULO DEFORMACIÓN V/S TENSIÓN DE CONFINAMIENTO-MATERIAL E.R. ..................................... 85 FIGURA 6-4: ÁNGULO DE FRICCIÓN PEAK V/S TENSIÓN DE CONFINAMIENTO - MATERIAL E.R. .............................. 86 FIGURA 6-5: CURVAS HOMOTÉTICA PRE Y POST ENSAYO, MATERIAL E.R. ........................................................... 88 FIGURA 6-6: MUESTRAS HOMOTÉTICAS MATERIAL R.L. ........................................................................................ 89 FIGURA 6-7: RELACIÓN TENSIÓN-DEFORMACIÓN CURVAS HOMOTÉTICAS R.L. ..................................................... 90 FIGURA 6-8: MÓDULO DEFORMACIÓN V/S TENSIÓN DE CONFINAMIENTO MATERIAL R.L. ..................................... 91 FIGURA 6-9: ÁNGULO DE FRICCIÓN PEAK V/S TENSIÓN DE CONFINAMIENTO MATERIAL R.L. ................................ 92 FIGURA 6-10: MUESTRAS CORTADAS CON 0%, 40%, 65%. 80% Y 100% DE SOBRE-TAMAÑO. MATERIAL A-2. ..... 94 FIGURA 6-11: RELACIÓN TENSIÓN Y CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN UNITARIA AXIAL. MATERIAL A-2 CORTE 0%, 80% Y 100% DE SOBRE-TAMAÑO................................................................................................ 96 FIGURA 6-12: RELACIÓN TENSIÓN Y CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN UNITARIA AXIAL. MATERIAL A-2 CON 0%, 40% Y 65% DE SOBRE-TAMAÑO. ..................................................................................................... 97 FIGURA 6-13: VARIACIÓN DEL MÓDULO DE DEFORMACIÓN AL 50% DE LA RESISTENCIA MÁXIMA (E50) V/S TENSIÓN DE CONFINAMIENTO MATERIAL A-2. ............................................................................................................. 98 FIGURA 6-14: ÁNGULO DE FRICCIÓN PEAK V/S TENSIÓN DE CONFINAMIENTO MATERIAL A-2 ................................ 99 FIGURA 6-15: ÁNGULO DE FRICCIÓN PEAK V/S PORCENTAJE DE SOBRE-TAMAÑO - MATERIAL A-2. ..................... 100 FIGURA 6-16: MATERIAL A-2 CON 0% Y 40% DE SOBRE-TAMAÑO ...................................................................... 102 FIGURA 6-17: MATERIAL A-2 CON 65% Y 80% DE SOBRE-TAMAÑO. ................................................................... 102 FIGURA 6-18: MATERIAL A-2 CON 100% DE SOBRE-TAMAÑO.............................................................................. 103 FIGURA 6-19: MATERIAL CON 0% Y 20% DE SOBRE-TAMAÑO (DE LA HOZ 2007)................................................ 103 FIGURA 6-20: MATERIAL CON 40% Y 60% DE SOBRE-TAMAÑO (DE LA HOZ 2007).............................................. 103 FIGURA 6-21: MATERIAL CON 80% Y 100% DE SOBRE-TAMAÑO (DE LA HOZ 2007)............................................ 104 FIGURA 6-22: ÁNGULO DE FRICCIÓN PEAK V/S COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD, MUESTRA ORIGINAL Y CORTADA EN LOS 2 MATERIALES ANALIZADOS. ................................................................................................................ 105 FIGURA 6-23: ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD MÓDULO DE DEFORMACIÓN E50 V/S NIVEL DE CONFINAMIENTO, EN BASE AL COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD. ............................................................................................................. 106 FIGURA 6-24: VARIACIÓN DE ÁNGULO DE FRICCIÓN EN 3 DR DISTINTOS PARA UN RANGO DE CU ENTRE 6.53 Y 7.8. .................................................................................................................................................................... 107 FIGURA 6-25: ÁNGULO DE FRICCIÓN SECANTE EN FUNCIÓN DEL NIVEL DE CONFINAMIENTO Y COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD PARA DR = 70% (MATERIAL FLUVIAL RÍO MAIPO) Y DR = 75% (MATERIAL FLUVIAL RÍO ACONCAGUA). ............................................................................................................................................. 108 FIGURA 6-26: VARIACIÓN DEL MÓDULO DE DEFORMACIÓN CON EL CONFINAMIENTO EN FUNCIÓN DE LA DENSIDAD RELATIVA DEL MATERIAL. ........................................................................................................................... 109 FIGURA 6-27: PARTÍCULAS COMPUESTAS POR ANDESITA SANA Y METEORIZADA. ............................................... 110 FIGURA 6-28: RESISTENCIA AL CORTE MATERIAL ORIGINAL Y MATERIAL SANO. ................................................. 111 FIGURA 6-29: CAMBIO VOLUMÉTRICO MATERIAL ORIGINAL Y MATERIAL SANO. ................................................. 111 FIGURA 6-30: ÁNGULO DE FRICCIÓN MÁXIMO EN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN DE CONFINAMIENTO PARA LOS 2 MATERIALES ENSAYADOS. ........................................................................................................................... 112 FIGURA 6-31: GRANULOMETRÍA POST ENSAYO, TENSIÓN DE CONFINAMIENTO DE [KG/CM2] MUESTRA 1 (ORIGINAL). .................................................................................................................................................................... 113

7

FIGURA 6-32: GRANULOMETRÍA POST ENSAYO, TENSIÓN DE CONFINAMIENTO DE 1 [KG/CM2] MUESTRA 2 (SANA). .................................................................................................................................................................... 113 FIGURA 6-33: GRANULOMETRÍA POST ENSAYO, TENSIÓN DE CONFINAMIENTO DE 3 [KG/CM2] MUESTRA 1 (ORIGINAL). ................................................................................................................................................. 113 FIGURA 6-34: GRANULOMETRÍA POST ENSAYO, TENSIÓN DE CONFINAMIENTO DE =3 [KG/CM2] MUESTRA 2 (SANA). .................................................................................................................................................................... 114 FIGURA 6-35: ROTURA DE PARTÍCULAS EN MATERIAL SANO Y ALTERADO, CUANTIFICADO CON BG. ................... 114 FIGURA 6-36: RESISTENCIA AL CORTE V/S DEFORMACIÓN UNITARIA, PARA DISTINTOS PORCENTAJES DE PARTICULAS SANAS Y ALTERADAS............................................................................................................... 115 FIGURA 6-37: CAMBIO VOLUMÉTRICO V/S DEFORMACIÓN UNITARIA, PARA DISTINTOS PORCENTAJES DE PARTICULAS SANAS Y ALTERADAS............................................................................................................... 116 FIGURA 6-38: EMIN Y E MAX EN FUNCIÓN DEL COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD (CU). ................................................ 117 FIGURA 6-39: DENSIDAD MÍNIMA EN FUNCIÓN DEL CU Y DEL TAMAÑO MEDIO DE PARTÍCULAS. ......................... 118 FIGURA 6-40: COMPENDIO DE RESULTADOS DE ENSAYOS TRIAXIALES (VARIOS AUTORES). ................................. 119 FIGURA 6-41: GRANULOMETRÍAS CONSIDERADAS EN ANÁLISIS. .......................................................................... 120 FIGURA 6-42: RESISTENCIA AL CORTE Y CAMBIO VOLUMÉTRICO, MATERIAL ORIGINAL (HOMOTÉTICA) Y CORTADO. .................................................................................................................................................................... 121 FIGURA 6-43: DENSIDAD MÁXIMA V/S COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD CU= D60/D10. ........................................... 123 FIGURA 6-44: DENSIDAD MÁXIMA V/S COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD CU*= D80/D10. ......................................... 123

8

Índice de Tablas TABLA 3-1: PORCENTAJE DE FINOS PRE Y POST ENSAYO PARA LOS 3 MATERIALES ANALIZADOS CON UN NIVEL DE 2 TENSIÓN DE CONFINAMIENTO DE 112 KG/CM . ............................................................................................... 44 TABLA 3-2: MATERIALES ANALIZADOS CON SU RESPECTIVA DUREZA Y GRAVEDAD ESPECÍFICA (GS). .................. 45 TABLA 3-3: RESISTENCIA AL CORTE BASADO EN ENSAYOS TRIAXIALES EN FUNCIÓN DEL PORCENTAJE DE GRAVA Y ARENA EN LA MUESTRA SEGÚN VALLEJOS (2001). ........................................................................................ 50 TABLA 4-1: CARACTERIZACIÓN DE CURVAS GRANULOMÉTRICA DE MATERIAL E.R. ............................................. 66 TABLA 4-2: DETALLE CONFECCIÓN PROBETAS MATERIAL E.R. ............................................................................. 68 TABLA 4-3: CARACTERIZACIÓN DE CURVAS GRANULOMÉTRICAS DE MATERIAL R.L. ............................................ 69 TABLA 4-4: DETALLE CONFECCIÓN PROBETAS MATERIAL R.L. ............................................................................. 71 TABLA 4-5: PRESIONES DE CONFINAMIENTO- MATERIAL A-2. .............................................................................. 73 TABLA 4-6: CARACTERIZACIÓN DE CURVAS GRANULOMÉTRICAS DE MATERIAL A-2. ........................................... 73 TABLA 4-7: DENSIDADES INCIALES DE ENSAYOS MATERIAL A-2. .......................................................................... 73 TABLA 6-1: PARÁMETROS DE RESISTENCIA-CRITERIO DE MOHR COULOMB MATERIAL E.R. ................................. 87 TABLA 6-2: PARÁMETROS A Y B - MATERIAL E.R. ................................................................................................. 87 TABLA 6-3: PARÁMETROS DE RESISTENCIA-CRITERIO DE MOHR COULOMB MATERIAL R.L. ....................................................... 92 TABLA 6-4: PARÁMETROS A Y B MATERIAL R.L. ................................................................................................... 93 TABLA 6-5: PARÁMETROS DE RESISTENCIA-CRITERIO DE MOHR COULOMB MATERIAL RÍO ACONCAGUA A-2. .. 100 TABLA 6-6: PARÁMETROS A Y B MATERIAL CORTADO RÍO ACONCAGUA (A-2). .................................................. 101 TABLA 6-7: PARÁMETROS A Y B MATERIAL CORTADO RÍO MAIPO (M). ............................................................... 101 TABLA 6-8: CARACTERÍSTICAS DE MATERIALES ANALIZADOS. ............................................................................ 107 TABLA 6-9: DENSIDADES LÍMITES MATERIALES ENSAYADOS. .............................................................................. 110

9

1. INTRODUCCIÓN El notable aumento de grandes obras de tierra principalmente en el ámbito minero tales como pilas de lixiviación y botaderos, además del desarrollo de presasde enrocado de gran altura, que incluyen la utilización de considerables cantidades de material granular grueso, ha derivado en la necesidad de mejorar el conocimiento de los ingenieros sobre el comportamiento de suelos gruesos y la resistencia al corte de este tipo de materiales. Generalmente, para obtener la resistencia al corte de suelos se utilizan triaxiales convencionales (hasta dimensiones de 15cm × 30cm) en los cuales sólo pueden ser utilizadas partículas de hasta 1” de tamaño máximo nominal. Debido a la necesidad de estudiar el comportamiento de muestras con tamaños máximos mayores a los requeridos por los triaxiales convencionales, el Instituto de Investigación y Ensayos de Materiales IDIEM de la Universidad de Chile, confeccionó un triaxial gigante capaz de ensayar probetas de 1 m de diámetro y 2 m de alto (Verdugo 2007), lo cual permite ensayar muestras con tamaños de partículas de hasta 17 cm. Sin embargo, es común el uso de materiales gruesos con tamaño de partículas mayores a 17 cm, con lo cual es necesario estudiar metodologías que permitan la estimación de la resistencia al corte y comportamiento de estos materiales granulares gruesos, utilizando la parte menos gruesa posible de ensayar en laboratorio. Principalmente existen 4 metodologías de estimación de la resistencia al corte, las cuales son • • • •

Método de corte Método de corte y reemplazo Método de la matriz Método de gradación paralela (curvas homotéticas)

El alcance de esta tesis comprende el estudio del método de curvas granulométricas homotéticas y el método de corte, utilizando 3 suelos con diferentes orígenes geológicos, forma y dureza de partículas, y una cantidad total de 60 ensayos triaxiales CID (Consolidado Isotrópicamente Drenado), utilizando probetas de 5cm × 10cm, 10cm × 20cm, 15cm × 30cm y 100cm × 200cm. La importancia del presente estudio radica en su aporte al desarrollo de metodologías para caracterizar un suelo con partículas de sobre-tamaño, lo cual es muy beneficioso desde un punto de vista económico cuando se involucren grandes volúmenes de suelo y partículas gruesas. Es importante señalar que esta investigación está orientada al estudio de suelos gruesos utilizados en rellenos tales como presas, botaderos, etc. En este contexto se excluye del estudio el análisis de suelos gruesos en estado natural, para los cuales podrían más útiles ensayos in-situ. Los Capítulos de esta tesis son los siguientes. 1. Introducción 10

2. Objetivos generales y específicos de este estudio. 3. Marco Teórico, en el cual se explican los métodos de evaluación de resistencia al corte de suelos gruesos, junto con las variables que controlan dicha resistencia. 4. Detalle de los materiales ensayados y las metodologías utilizadas para llevar a cabo los ensayos de laboratorio. 5. Descripción de equipos triaxiales utilizados (Triaxiales convencionales y aparato Triaxial de gran escala). 6. Presentación de resultados de los ensayos realizados y análisis de los parámetros que afectan en mayor medida la resistencia al corte en suelos gruesos. 7. Discusiones sobre los resultados obtenidos en Capítulo 6. 8. Conclusiones y recomendaciones 9. Referencias

11

2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL El objetivo principal de esta investigación es analizar la efectividad del método de las curvas granulométricas homotéticas en suelos granulares gruesos al variar la dureza de las partículas de las muestras escaladas, en materiales que poseen partículas alteradas o meteorizadas.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS •

Estudiar los parámetros que permiten caracterizar la resistencia al corte de materiales granulares gruesos tales como gradación y densidad relativa de la muestra, junto con la dureza de las partículas.

•

Cuantificar la influencia de cada uno de estos parámetros en la resistencia de suelos gruesos.

•

Analizar la efectividad del método de corte en la obtención de la resistencia y parámetros de deformación de suelos gruesos.

12

3. MARCO TEÓRICO 3.1. INTRODUCCIÓN Debido a los significativos avances en la Ingeniería Civil, especialmente en la mecánica de suelos, el uso de suelos gruesos y enrocados en diferentes tipos de obras civiles ha sido cada vez más importante. Una de las características más relevante en el uso de suelos gruesos y enrocados que es necesario conocer, es su capacidad de resistir las fuerzas que intentan contraer la estructura interna del material. Esta propiedad es llamada resistencia al corte (Capítulo 3.2). La resistencia al corte depende de las propiedades del material tales como: i) forma partículas, ii) dureza partículas, iii) gradación de la muestra, además de variables de estado que corresponden a iv) Densidad y número de contactos, v) fábrica de la muestra, vi) humedad del material vii) nivel y trayectoria de tensiones, entre otras variables. En el Capítulo 3.4 se presenta la influencia de cada uno de estos parámetros en la resistencia al corte. Al considerar suelos gruesos, existe la dificultad de obtener la resistencia al corte en laboratorio, debido al tamaño que puedan llegar a tener las partículas gruesas, lo cual impide que éstas puedan ser ensayadas. Por tal motivo es indispensable el uso de metodologías que estimen la resistencia al corte de estos tipos de materiales. En el Capítulo 3.3 se presentan los métodos existentes con especial énfasis en el método de gradación paralela, el cual ha sido el más utilizado por los investigadores contemporáneos (Verdugo 2006).

3.2. RESISTENCIA AL CORTE EN MATERIALES GRANULARES GRUESOS Los materiales granulares se definen como un conjunto de partículas que poseen interacción entre ellas gracias a los contactos físicos que existen entre sí. Además, una masa de suelo se caracteriza por tener una cantidad de material con partículas sólidas y vacíos. Estos vacíos pueden ser llenados con agua y/o aire o gases. Dependiendo de la forma en que una masa de suelo responde a las fuerzas externas, el comportamiento del suelo puede ser drenado (acomodo de partículas y un cambio volumétrico en la estructura de suelo) o un comportamiento no drenado (sin cambio volumétrico y existencia de presiones de poros en el suelo). Este comportamiento dependerá de la forma en la cual se manifiesten las fuerzas externas actuantes en el suelo (solicitaciones lentas o rápidas). Además, un factor fundamental que diferencia a los materiales particulados de otro tipo de materiales es su capacidad de aumentar de volumen debido a que las partículas pueden 13

montarse en un arreglo granular denso dependiendo del nivel de confinamiento de la muestra. Esta respuesta del suelo es llamada dilatancia. Una de las relaciones más conocidas en el estudio de la dilatancia, es la señalada por Rowe (1962), el cual obtuvo la siguiente expresión. dε P σ1 = tan 2 ( 45 ° + φU ) ⋅ (1 + VP ) dε 1 σ3

(Ec.3.1)

Donde:

φU

= Ángulo de fricción interpartícula

dεVP

= Incremento de deformación volumétrica

dε1P 1+

dε dε

= Incremento de deformación principal. P V P 1

= Factor de dilatancia del material

Esta ecuación señala que existe una relación directa entre la razón de tensiones y el factor de dilatancia. Además Rowe (1962) concluyó que existe una relación entre la máxima dilatancia que sufre el material con la máxima resistencia al corte que puede desarrollar un suelo. Rowe obtuvo esta ley en base a ensayos triaxiales aplicados a esferas de vidrio, acero y arenas, las cuales no sufrieron rotura o deformaciones plásticas. Esta relación no es totalmente válida para suelos gruesos debido a la rotura que sufren las partículas durante el ensayo. Debido a que la Ecuación 3.1 no considera en su fórmula la densidad del material, confinamiento y trayectoria de tensiones (factores que influyen en la resistencia al corte de un suelo). Distintos autores han propuesto diferentes ecuaciones que representan el fenómeno de la dilatancia incluyendo estas últimas variables nombradas (Bolton 1986; Shanz y Vermeer 1996). Por otro lado, una condición clave de los suelos es que su resistencia al corte última (resistencia a la falla) depende directamente del nivel de confinamiento que posean. En base a lo anterior, los criterios de falla más utilizados en materiales granulares gruesos son el criterio Mohr Coulomb1, y el criterio de envolvente no lineal.

1

Mitchell, J.K., Soga, K., 2005. Fundamentals of Soil Behavior

14

Este último criterio (Ecuación 3.2) fue utlizado por primera vez por De Mello (1977). Los parámetros “a” y “b” representan la resistencia peak y el grado de rotura respectivamente. La ecuación 3.2 ha sido mejorada (Indraratna 1998) por el hecho de agregar el parámetro de resistencia a la compresión simple (UCS) del enrocado (Ecuación 3.3). (Ec.3.2)

τ = a ⋅σ nb  σ  = a ⋅ n  UCS  UCS 

τ

(Ec.3.3)

b

A continuación se presentan las metodologías de estimación de resistencia al corte de suelos gruesos que han sido utilizadas en la actualidad.

3.3. MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE RESISTENCIA AL CORTE DE MATERIALES GRANULARES GRUESOS Principalmente existen 4 métodos que se han utilizado para caracterizar geomecánicamente los suelos gruesos siendo el método de gradación paralela el más utilizado por los investigadores (Verdugo 2006). Los métodos que han sido usados hasta hoy se detallan a continuación.

3.3.1. Método de corte

El método de corte se basa en la idea de extraer el material de sobre-tamaño de la muestra de tal forma que el material “cortado” pueda ser ensayado en equipos convencionales. Este método fue utilizado por Al Hussaini (1983) y realizando ensayos triaxiales CID en muestras con igual densidad relativa (DR) obtuvo que las muestras cortadas poseen menores resistencias al corte que la muestra original. Siguiendo una línea de investigación similar a Al-Hussaini, De la Hoz (2007) realizó una serie de ensayos triaxiales CID con un DR= 70% en materiales cortados para un tamaño de partículas 3/8”. El suelo utilizado fue la grava del río Maipo, ubicada en la Región Metropolitana en Chile. En la Figura 3-2 se aprecia que las densidades mínimas y máximas no poseen valor similar en las curvas granulométricas confeccionadas, y las mayores densidades mínimas y máximas se obtienen para un sobre-tamaño del 40%. La diferencia de las densidades límites para distintos porcentajes de sobre-tamaño, produce diferentes densidades de confección entre las distintas 15

curvas confeccionadas, lo cual tiene consecuencias en la resistencia y deformabilidad de los ensayos realizados, tal cual es posible apreciar en las Figuras 3-3 y 3-4.

Figura 3-1: Curva granulométrica Material Cortado Río Maipo según De la Hoz 2007.

Figura 3-2 Densidades límites material Río Maipo según De la Hoz 2007.

16

Figura 3-3: Ángulo de fricción peak en función de la presión de confinamiento para distintos porcentajes de sobre-tamaño según De la Hoz (2007).

Figura 3-4: Módulo de deformación en función de la presión de confinamiento según De la Hoz 2007.

17

En la Figura 3-3 se presenta la variación de la resistencia al corte basada en el ángulo de fricción peak2 (φpeak), en función del nivel de confinamiento. En esta Figura se aprecia claramente que la muestra cortada posee el menor ángulo de fricción peak comparado con la muestra original (60% de sobre-tamaño) y con las otras muestras de sobre-tamaño. Sin embargo, según la Figura 3-4, el módulo de deformación E503 alcanza un mayor valor con la muestra cortada que con la muestra original y las otras muestras de sobre-tamaño. Por lo tanto, se concluye que la muestra cortada posee menor resistencia al corte que la muestra original (Figura 3-3). Sin embargo su módulo de deformación E50 es mayor que todas las otras muestras con sobre-tamaño (Figura 3-4). Aunque ya se han señalado las limitaciones de esta metodología, la facilidad y sencillez de este método al ser utilizado en el laboratorio, ha presentado mayor popularidad hoy en día. De esta manera, De la Hoz (2007) recomienda el uso del método de corte hasta un porcentaje de sobre-tamaño del 20%. Debido a que las muestras ensayadas por De la Hoz (2007) tenían tamaño máximo de partículas de 1”, con densidades relativas del 70%, y fueron cortadas en un tamaño de partículas de 9.52 mm, se hace necesario continuar una investigación similar sobre esta metodología considerando diferente tamaño de corte y densidades relativas de ensayo, para así comprobar que la muestra cortada resiste menos y posee mayor rigidez que la muestra original.

3.3.2. Método de corte y reemplazo

Este método se basa en la idea de remover las partículas de sobre-tamaño y reemplazarlas por un porcentaje igual en peso de partículas más pequeñas. Es decir, este método utiliza un material menos graduado que el original pero considerando una misma densidad de suelo, por lo cual no es posible controlar variables como la granulometría, densidad relativa (DR) y número de contacto de partículas, las cuales influencian la resistencia al corte, tal como será analizado en el Capítulo 3.4.

2

Ángulo de la tangente del círculo de Mohr medido desde el origen.

18

Figura 3-5: Ejemplo de análisis de gradación, método de corte y reemplazo según Iannacchione (2000).

Principalmente, este método al reproducir curvas granulométricas más uniformes debería conseguir resultados de resistencia al corte más bajos que la muestra de granulometría original (De la Hoz 2007). Sin embargo, el hecho de reemplazar bajo una misma cantidad en peso, material grueso con material de menor tamaño, implica que la densidad relativa de la muestra reemplazada es mayor que la muestra original; lo cual finalmente, se traduce en una mayor resistencia máxima del suelo. Este último análisis complica el uso de este método debido a la dificultad de cuantificar principalmente la reducción del ángulo de fricción peak debido al corte del material de sobre-tamaño y de cuantificar el aumento de φpeak por un incremento en la densidad relativa de la muestra. Donaghe et al, (1979) analizaron el funcionamiento de este método en base a ensayos triaxiales CIU convencionales usando diferentes porcentajes de gravas en las muestras. Finalmente se llegó a la conclusión que estos ensayos alterados proveen resultados un poco conservadores con respecto a la muestra original. Debido a las razones dadas anteriormente, este método no ha tenido gran popularidad entre los investigadores contemporáneos.

3.3.3. Método de la matriz

El método de la matriz se basa en que las partículas de sobre-tamaño al estar flotando en una matriz de suelo, es ésta última la que controla la resistencia al corte. Sin embargo, al aumentar el contenido de partículas de sobre-tamaño, éstas tienden a conseguir contacto entre ellas y la condición de flotación de las partículas no se cumple. Esta razón ha sido la gran limitante de esta metodología de evaluación en suelos gruesos.

19

Figura 3-6: Diferente condición de partículas de sobre-tamaño en matriz de suelo según Fragaszy (1990).

Siddiqi (1984) creó un método en que es posible obtener la resistencia al corte de un suelo con sobre-tamaño, siempre y cuando se obtengan los resultados de resistencia de la matriz del material, y que las partículas de sobre-tamaño no afecten la resistencia y el comportamiento de la mezcla. Siddiqi (1991) utilizó este método para evaluar la resistencia de un material grueso usado en la construcción de la presa “Lake Valley” en Estados Unidos. Se consideró un material prototipo de tamaño máximo de 6”, el cual a su vez posee una matriz de suelo de tamaño máximo de 2.8”. Ambos suelos se ensayaron en triaxiales CID. Según las Figuras 37 y 3-8 la resistencia peak y el cambio volumétrico son similares entre ambos materiales y según la Figura 3-9 se observan resultados similares con respecto al suelo de la matriz y la predicción del modelo.

20

Figura 3-7: Comparación resistencia suelo prototipo y matriz de suelo para un DR de 64 y 61.2 % respectivamente según de Siddiqi (1991).

Figura 3-8: Comparación cambio volumétrico suelo prototipo y matriz de suelo para un DR de 64 y 61.2 % respectivamente según de Siddiqi (1991).

21

. Figura 3-9: Resultados de ensayos en suelo prototipo y matriz de suelo según de Siddiqi (1991).

La investigación concluyó que este modelamiento entrega resultados satisfactorios en la resistencia estática del material analizado. Sin embargo, debido a que la resistencia de la matriz de suelo depende directamente de su densidad de “campo lejano” se hace necesario obtenerla mediante el método que describe Fragaszy (1992) y que tiene como idea principal corregir la densidad de la matriz de suelo cuando se remueven partículas de sobre-tamaño. Este efecto es posible explicarlo en la Figura 3-10.

22

Figura 3-10: Efecto de la disminución de la densidad de campo cercano debido a remoción de partículas de sobre-tamaño según Fragaszy (1992).

Las partículas gruesas, al ser removidas, dejan vacíos que podrían ocupar algunas partículas de la matriz (partículas sombreadas). Por lo cual, la corrección de Fragaszy pretende considerar este efecto y obtener así la densidad corregida de campo lejano de la matriz. Finalmente, De la Hoz (2007) concluyó que si el porcentaje de partículas de sobre-tamaño fuese menor al 20%, este método podría ser útil en la determinación de la resistencia al corte en suelos gruesos.

3.3.4. Método de gradación paralela o curvas homotéticas

El método de granulometría paralela o curvas homotéticas fue aplicado por primera vez por Lowe (1964) y desde entonces ha sido muy utilizado, siendo aplicado por Marachi et al. (1972), Thiers y Donovan (1981), Cea (1994), Gesche (2002), y De la Hoz (2007) entre otros investigadores. Este método tiene como objetivo escalar la granulometría del suelo original a una curva granulométrica de menor tamaño de partículas de tal forma que tenga el mismo Coeficiente de uniformidad (CU) y Coeficiente de gradación (CC), y asumiendo que se mantienen las mismas características propias de las partículas como son la dureza, forma y peso específico de los sólidos, principalmente. Marachi et al., (1972) llevó a cabo una serie de ensayos triaxiales CID aplicado a 3 distintos materiales de tipo rockfills. i) enrocado llamado “pyramid dam material”, ii) basalto chancado, y iii) suelo de origen aluvial proveniente de la presa “Oroville” en California, 23

Estados Unidos. Los resultados fueron que el ángulo de fricción disminuye levemente al aumentar el tamaño de partículas. Esta tendencia se produjo debido a que estos materiales analizados tenían una dureza baja, lo cual posibilitó una mayor rotura de partículas. Finalmente, Marachi et al., (1972) concluyeron que esta técnica parece ser una forma útil para obtener la resistencia al corte de materiales rockfills. Thiers y Donovan (1981), al realizar ensayos triaxiales a rocas sedimentarias, también concluyeron que el ángulo de fricción disminuye al ser incrementado el tamaño de partículas. Utilizando esta misma metodología, Varadajan (2003) llevó a cabo ensayos triaxiales con un material obtenido por voladura llamado Purulia, y concluyó que la rotura de partículas de baja resistencia o alteradas de las curvas homotéticas, pueden sobreestimar la resistencia al corte con respecto a la granulometría prototipo. Las referencias que existen en Chile sobre la aplicación del método de curvas homotéticas, corresponden a los trabajos realizados por Gesche (2002) y De la Hoz (2007). Un resumen de los resultados obtenidos por ellos se presenta a continuación.

3.3.4.1.

Resultados de Gesche (2002)

Gesche (2002) utilizó el método de gradación paralela para estimar de resistencia al corte en materiales granulares gruesos. Dos de los materiales utilizados en su investigación (A-1 y M1) se presentan a continuación considerando sus características y resultados de ensayos. •

Granulometría y densidades límites

El material A-1 proveniente del río Aconcagua ubicado en la Región de Valparaíso en Chile, corresponde a gravas arenosas de cantos redondeados, las cuales fueron extraídas del mismo lecho del río y cortadas en 1 ½“. En el laboratorio se procedió a confeccionar tres curvas homotéticas, en las que se restringió el porcentaje de finos a un 10%. El material M-1 corresponde a gravas angulosas del lecho del río Maipo, las cuales sufrieron un proceso previo de chancado. Este material también fue cortado en un tamaño de 1 ½“. Las curvas homotéticas y densidades mínimas y máximas de las granulometrías aplicadas a los materiales A-1 y M-1 se muestran en las Figuras 3-11 y 3-12.

24

Figura 3-11: Granulometrías y densidades mínimas y máximas de curvas homotéticas, Material A-1. Tomado de Gesche (2002).

25

Figura 3-12: Granulometrías y densidades mínimas y máximas de curvas homotéticas, Material M-1. Según Gesche (2002).

•

Ensayos de resistencia al corte

Se realizaron una serie de ensayos triaxiales CID a granulometrías paralelas confeccionadas a los dos suelos A-1 y M-1. La densidad relativa de confección fue de un 80% y el nivel de confinamiento varió de 2.0 a 6.0 [kg/cm2]. Los resultados de resistencia al corte, módulo de 26

deformación (E50) y ángulo de fricción peak para los niveles de confinamientos dados anteriormente se presentan desde la Figura 3-13 a la 3-16.

Figura 3-13: Gráficos tensión y cambio volumétrico v/s deformación axial Material A-1. Según Gesche (2002).

27

Figura 3-14: Gráficos módulo de deformación (E50) y ángulo de fricción peak v/s nivel de confinamiento Material A-1. Según Gesche (2002).

28

Figura 3-15: Gráficos tensión y cambio volumétrico v/s deformación axial, Material M-1. Según Gesche (2002).

29

Figura 3-16: Gráficos módulo de deformación (E50) y ángulo de fricción interna v/s nivel de confinamiento, Material M-1. Según Gesche (2002).

30

Considerando los resultados anteriores, la resistencia al corte, es relativamente similar entre las curvas homotéticas para niveles de confinamiento de 2.0, 4.0 y 6.0 [kg/cm2]. Además, el módulo de deformación (E50) aumenta de forma potencial con la tensión de confinamiento (σc) para los dos suelos ensayados. Finalmente el ángulo de fricción peak disminuye de forma logarítmica con el nivel de confinamiento en base a una correlación bastante cerrada para los dos materiales. Gesche (2002) concluyó que el método de gradación paralela es apropiado para estimar la resistencia al corte de suelos granulares gruesos en el rango de partículas estudiado, incluso podría ser utilizada en la estimación de suelos granulares de mayor tamaño.

3.3.4.2.

Resultados de De la Hoz (2007)

De la Hoz (2007) utilizó un material proveniente del lecho de Río Maipo, con los cuales confeccionó dos muestras (M-2 y M-3), y utilizó además, un material llamado Pumilla (P-1) para poder aplicar el método de gradación paralela. Estos suelos fueron cortados en 1”, y las curvas homotéticas confeccionadas tienen una limitación de 10% de finos. Los materiales con sus características y resultados se detallan en seguida. •

Granulometría y densidades límites

Los materiales M-2 y M-3 corresponden a gravas de origen fluvial provenientes del río Maipo. El suelo P-1 es un material gravo-arenoso de origen fluvial, que particularmente posee gravas con formas tabulares. Para cada una de las muestras M-2 y M-3 se confeccionaron tres curvas homotéticas, las cuales tienen tamaño máximo 1”, ½“, y malla N°4, y además, tienen la restricción de contenido de finos al 10%. El material P-1 fue utilizado en la confección de cuatro curvas homotéticas con tamaños máximos de 1”, 1/2“, 3/8”, y malla N°4. Las características de estos tres materiales y sus propiedades se detallan a continuación.

31

Figura 3-17: Granulometrías y densidades mínimas y máximas de curvas homotéticas, Material M-2 según De la Hoz 2007.

32

Figura 3-18: Granulometrías y densidades mínimas y máximas de curvas homotéticas, Material M-3 según De la Hoz 2007.

33

Figura 3-19: Granulometrías y densidades mínimas y máximas de curvas homotéticas, Material P-1 según De la Hoz 2007.

34

•

Resultados ensayos de resistencia al corte

Considerando los tres materiales descritos anteriormente (M-2, M-3 y P-1) los resultados de resistencia al corte, módulo de deformación (E50) y ángulo de fricción peak, en función del nivel de confinamiento, se muestran desde las Figuras 3-20 a la 3-25. Al comparar los resultados de estos tres materiales es posible advertir que en las muestras M2 y M-3 el comportamiento de los suelos es bastante similar, e incluso las curvas tensióndeformación se confunden entre las curvas homotéticas para un nivel de confinamiento de 0.5, 1.0 y 3.0 [kg/cm2], lo cual da cuenta de la efectividad de método de gradación paralela. Además, el módulo de deformación E50 también presenta una similitud entre las granulometrías escaladas para los dos suelos ensayados. Finalmente, el ángulo de fricción peak disminuye con el nivel de confinamiento en base a una correlación bastante cerrada para estos dos materiales. Sin embargo, el material identificado como P-1 presenta una mayor resistencia a medida que aumenta el tamaño medio (D50) de partículas. La razón principal de esta diferencia radica en la variación de la forma de partículas, debido a que la parte fina de este material está conformada mayoritariamente de arenas subredondeadas, mientras que la parte gruesa corresponde a partículas de forma tabulares. El módulo de deformación también confirma la influencia de la forma de partículas en la rigidez del suelo. Por lo tanto, según los materiales M-2 y M-3 se observa un éxito en el uso de la metodología de gradación paralela, pero al considerar el material P-1 se concluye que la misma forma de partículas en las granulometrías escaladas juega un rol muy importante en la aplicación satisfactoria de esta metodología, para rangos de σc entre 0.5 a 3.0 [kg/cm2].

35

Figura 3-20: Gráficos tensión y cambio volumétrico v/s deformación, Material M-2. Según De la Hoz (2007).

36

Figura 3-21: Gráficos módulo de deformación (E50) y ángulo de fricción interna v/s nivel de confinamiento, Material M-2. Según De la Hoz (2007).

37

Figura 3-22: Gráficos tensión y cambio volumétrico v/s deformación, Material M-3. Según De la Hoz (2007).

38

Figura 3-23: Gráficos módulo de deformación (E50) y ángulo de fricción interna v/s nivel de confinamiento, Material M-3. Según De la Hoz (2007).

39

Figura 3-24: Gráficos tensión y cambio volumétrico v/s deformación, Material P-1. Según De la Hoz (2007).

40

Figura 3-25: Gráficos módulo de deformación (E50) y ángulo de fricción interna v/s nivel de confinamiento, Material P-1. Según De la Hoz (2007).

41

3.3.5. Resumen de las metodologías existentes

Según las cuatro metodologías mencionadas anteriormente, se ha comprobado que al utilizar el método de corte, se obtienen resultados de resistencia conservadores, aunque se sobreestima el módulo de rigidez (E50). Sin embargo, debido a la simpleza de utilizar este método, su uso ha adquirido popularidad durante este último tiempo. De la Hoz (2007) recomienda utilizar este método con un porcentaje de extracción de partículas de sobretamaño de hasta un 20%. El método de corte y reemplazo también presenta problemas al ser usado debido a la dificultad de cuantificar la disminución y aumento de la resistencia por el corte y reemplazo de material. Debido a las limitaciones anteriores, este método no ha sido investigado en la actualidad. Considerando el método de la matriz, éste funciona adecuadamente para porcentajes de sobretamaño menores al 20%, siempre y cuando estas últimas se encuentren flotando en la matriz fina de suelo, obteniendo la densidad corregida de campo lejano, lo cual limita su utilidad. Ahora, tomando en cuenta el método de gradación paralela, Gesche (2002) concluyó que este método es apropiado para estimar la resistencia al corte de suelos granulares densos en el rango de partículas estudiado e incluso podría ser utilizado en la estimación de suelos granulares de mayor tamaño. Siguiendo la misma línea de investigación, De la Hoz (2007) también concluyó que el método de las curvas homotéticas entrega parámetros de resistencia al corte y módulos de deformación equivalentes al suelo original, siempre y cuando se cumpla satisfactoriamente la similitud de CU y CC entre las granulometrías homotéticas, manteniendo la forma de las partículas en las muestras escaladas; limitando el contenido de finos en un 10% y finalmente manteniendo sin gran variación las densidades mínimas y máximas en las granulometrías paralelas. No obstante, la influencia de la dureza de las partículas en la metodología de curvas homotéticas aún no ha sido estudiada, por lo cual se ha decidido, mediante el presente trabajo, continuar la investigación sobre este método para así estimar la resistencia al corte de suelos gruesos, con énfasis en la importancia del cambio de la dureza y mineralogía de las partículas en las granulometrías escaladas. Además, se analizará el método de corte para así corroborar los resultados obtenidos por De la Hoz (2007). A continuación se presentan las variables intrínsecas y de estado de las cuales depende la resistencia y comportamiento de los suelos granulares gruesos, junto con otros factores que influyen en la resistencia tales como nivel de tensiones y rotura de partículas. 42

3.4.

VARIABLES DE ESTADO DE SUELOS GRANULARES

Las variables de estado corresponden a las propiedades que posee un suelo en cuanto a sus parámetros intrínsecos (los cuales no cambian para un material) y los parámetros de estado que dependen de las condiciones o estados del suelo.

3.4.1. Variables intrínsecas del material

A continuación se presentan los parámetros intrínsecos más importantes que controlan la resistencia al corte de los materiales granulares gruesos. En especial se tratará la dureza, forma y tamaño de partículas, junto con la gradación de la muestra.

•

Dureza de partículas

Lo y Roy (1973) llevaron a cabo ensayos triaxiales CID en 3 tipos de materiales diferenciados por la dureza de sus partículas. Los materiales utilizados fueron óxido de aluminio, cuarzo y caliza, ordenados de mayor a menor dureza. Las muestras poseen similar valor de Coeficiente de Uniformidad (CU), y densidades relativas de 49%, 60% y 65%, respectivamente. Se realizaron ensayos triaxiales CID en un rango de tensiones de 2 a 112 [kg/cm2]. A continuación se presentan las granulometrías pre y post ensayo de los 3 materiales analizados.

43

Figura 3-26: Granulometrías pre y post ensayo en función del nivel de confinamiento para los 3 materiales analizados según Lo y Roy (1973).

Según los resultados del autor, los 3 materiales presentan un mayor grado de rotura de partículas (Capítulo 3.4.4) a medida que disminuye el grado de dureza de partículas. Por ejemplo, la siguiente tabla muestra que el material de caliza pasa de ser una arena (3% finos) a un suelo fino (62% finos) para un ensayo con σ3 = 112 kg/cm2, lo cual no ocurre con el óxido de aluminio que sólo consigue tener un 13% de finos después del ensayo. Tabla 3-1: Porcentaje de finos pre y post ensayo para los 3 materiales analizados con un nivel de tensión de confinamiento de 112 kg/cm2.

Material Óxido de Aluminio Cuarzo Caliza

% finos inicial 2 2 3 44

% finos final 13 44 62

Considerando los resultados de resistencia en función del nivel de confinamiento, los 3 materiales poseen valores similares de ángulo de fricción para presiones de σ3 = 2 [kg/cm2], pero a mayor nivel de confinamiento, la caliza posee mayor resistencia que el cuarzo y el óxido de aluminio, siendo el material con menor dureza y resistencia de partículas. La explicación a este resultado es la gran rotura de partículas que se produce, lo cual provoca una reducción del índice de vacíos de la muestra, y por consiguiente, una mayor resistencia (Figura 3-27).

Figura 3-27: Resistencia al corte en función del nivel de confinamiento para los 3 materiales analizados según Lo y Roy (1973).

Aunque el estudio de Lo y Roy (1973) considera presiones de confinamiento de hasta 112 kg/cm2, no es posible extrapolar el comportamiento de estos materiales a mayores presiones. Para estudiar la influencia de la dureza de las partículas en muy altas presiones, Murphy (1970) realizó una serie de ensayos triaxiales CID a 4 materiales diferenciados por su dureza según la escala de Mohs. Las propiedades de los materiales y sus resultados (Figura 3-28) se presentan a continuación. Tabla 3-2: Materiales analizados con su respectiva dureza y gravedad específica (Gs).

Materiales Dureza de Mohs Gravedad específica

Cuarzo Feldespato 7 6 2.65 2.61

Calcita 3 2.72

Clorita 1 a 2.5 3.1

Murphy (1970), llevó a cabo ensayos con niveles de confinamiento de hasta 310 [Mpa]. Según los resultados de la Figura 3-28, es posible advertir que el Feldespato, Calcita y Clorita disminuyen su resistencia con el nivel de confinamiento y esta disminución se acentúa si el 45

material posee menor dureza de partículas. Lo interesante es notar que el Cuarzo posee menor resistencia que los otros materiales hasta tensiones normales de σn = 2.8 Mpa (misma resistencia que la Clorita). Pasado el umbral anterior, el Cuarzo mantiene su resistencia y en tensiones normales efectivas de σn = 560 [Mpa] el Cuarzo posee un mayor ángulo de fricción interna que el Feldespato, la Calcita y la Clorita, por lo que Murphy (1970) atribuye a la dureza (escala de Mohs) y resistencia de las partículas como el factor más importante en la resistencia al corte de un suelo en altas presiones.

Figura 3-28: Disminución de resistencia con el nivel de confinamiento para distintos grados de dureza de partículas según Murphy (1970).

Sin embargo, debido a que todos los estudios anteriores se han centrado en analizar muestras con similar mineralogía y dureza de partículas, aún no se ha hecho un análisis sobre el comportamiento de materiales con distinto grado de dureza de partículas en una muestra, cuyos casos ya están ocurriendo en materiales lixiviados por la minería y por enrocados alterados obtenidos en canteras.

•

Forma de las partículas

La esfericidad, angulosidad y rugosidad de las partículas es uno de los factores más importantes del comportamiento tensión deformación de un medio granular. Un esquema simple de la forma que puede llegar a tener las partículas se muestra en la Figura 3-29, bajo la

46

cual el grado de rendondez de los bordes (eje horizontal) y esfericidad del grano (eje vertical), se multiplican para así poder cuantificar la forma de las partículas.

Figura 3-29: Partículas con diferente esfericidad y redondez. Según Krumbein y Sloss (1963).

Uno de los primeros investigadores que analizó el efecto de la forma y textura de las partículas en la resistencia al corte fue Morris (1956) quién señaló que la resistencia se incrementa con la rugosidad hasta un punto óptimo en que el aumento en rugosidad va acompañado de una disminución en resistencia. Siguiendo la misma línea de investigación, Vallerga (1956), Koerner (1970), Chávez (1996), Gharavy (1996), entre otros autores han concluido que la forma angulosa tiene mayor resistencia al corte que la forma redondeada de las partículas. Por ejemplo, Koerner haciendo un análisis de sensibilidad en arenas señala que la forma angulosa de las partículas puede tener ángulo de fricción entre 6° a 8° mayores que muestras subredondeadas bajo rango de presiones de 0.7 a 2.0 [kg/cm2]. Sin embargo, bajo tensiones moderadas a altas, este efecto tiende a ser bastante pequeño debido a la rotura de los bordes de las partículas angulosas (Lee y Farhoomand 1967). A su vez, Chávez (1996) concluye que las formas angulosas, aplanadas y la rugosidad de las partículas incrementan la resistencia al esfuerzo de corte, sin embargo aumentan la deformabilidad en el medio granular. Ahora, considerando la importancia de la forma de partículas en suelos gruesos, De la Hoz (2007) señala que un cambio de la forma de partículas en muestras escaladas del método de curvas homotéticas produce diferentes resultados de resistencia al corte y de módulo de deformación (Capítulo 3.2.4.2). 47

•

Granulometría

Es sabido que la distribución granulométrica es uno de los factores más importantes en la resistencia al corte en suelos porque mientras exista una variedad de tamaños de partículas, los granos pequeños podrán usar los espacios dejados por las partículas grandes, logrando una mayor compacidad y por lo tanto, una mayor resistencia del suelo. Koerner (1970) fue uno de los primeros investigadores en realizar un análisis de sensibilidad sobre la granulometría, específicamente del coeficiente de Uniformidad (CU). Él llegó a la conclusión de que al variar entre 1.25 y 5 el valor de CU, la diferencia en el ángulo de fricción no es importante. No obstante, al analizar suelos gruesos, el coeficiente CU llega a tener valores sobre 50, por lo cual este parámetro podría ser importante en la obtención de los parámetros de resistencia al corte. Según lo anterior, Ghanbari (2008) llegó a la conclusión que suelos pobremente graduados llegan a tener hasta 4° de ángulo de fricción menos que las muestras bien graduadas al analizar una andesita resistente de tipo rockfill y usando tensiones de confinamiento de 1 a 7 [kg/cm2]. El esqueleto granular define en cierta medida los límites de densidades que tendrá el suelo en terreno. Así, Korfiatis (1982) señala que existe una correlación entre la densidad del material y su distribución granulométrica. Kezdi (1979) utilizando 4 materiales de distinta forma de partículas pero similar valor de peso específico de los sólidos (Gs), realizó una serie de ensayos de densidad máxima, mediante distintos métodos de compactación, obteniendo la tendencia de la Figura 3-30. El autor propone que esta relación entre la densidad máxima seca del suelo con respecto al coeficiente de uniformidad es bastante cerrada y es independiente de la forma de las partículas. Esta relación entre las densidades límites y el coeficiente de uniformidad serán discutidos en el Capítulo 6.7.

48

Figura 3-30: Correlación Densidad seca máxima v/s Coeficiente de Uniformidad. Kezdi (1979)

Por otro lado, la granulometría también ha sido estudiada en función de una combinación de grava y arena óptimos que produzca la resistencia al corte y el grado de compactación máximo en un suelo granular. Burmister (1938) teniendo en cuenta la importancia de la distribución de tamaño de partículas en la densidad que puede alcanzar un suelo, confeccionó un cuadro de tipos de curvas granulométricas (Figura 3-31). Finalmente el autor concluye que la curva tipo F consigue la mayor densidad máxima con respecto a los otros tipos de curvas inclusive el tipo B y E.

Figura 3-31: Distintos tipos de curvas granulométricas y su distribución en material fino y grueso, según Burmister (1938).

49

Basados en la influencia que tiene el porcentaje de gravas y arenas en una muestra de suelo, Vallejos (2001) hizo una recopilación de los estudios más importantes la cual se presenta a continuación. Tabla 3-3: Resistencia al corte basado en ensayos triaxiales en función del porcentaje de grava y arena en la muestra según Vallejos (2001). Porcentaje de grava en la mezcla Autor

Resistencia al corte = Grava controla resistencia

Resistencia al corte = Grava y Arena controlan resistencia

Resistencia al corte = Arena controla resistencia

Fragaszy et. al., 1992

>65

65-40

70

70-50

80

80-55

70

70-50

65

65-50

70

70-49