CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DE RESISTENCIA Y COMPRESIBILIDAD DE SUELOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES DEL INTERCEPTOR FUCHA TUNJUELO.

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2 CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DE RESISTENCIA Y COMPRESIBILIDAD DE SUELOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES DEL INTERCEPTOR FUCHA TUNJUELO. MIGUEL FERNANDO LÓPEZ PRIETO DANILO EDGARDO MOLANO SUESCUN UNIVERSIDAD DE LA SALLE PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2010

3 CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DE RESISTENCIA Y COMPRESIBILIDAD DE SUELOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE TÚNELES DEL INTERCEPTOR FUCHA-TUNJUELO MIGUEL FERNANDO LÓPEZ PRIETO DANILO EDGARDO MOLANO SUESCUN Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingenieros Civiles Director temático: Ing. Fernando Nieto Castañeda Asesora metodológica: Mag. Rosa Amparo Ruíz Saray UNIVERSIDAD DE LA SALLE PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2010

4 Nota de aceptación: Firma del presidente de jurado Firma del jurado Firma del jurado Bogotá D.C. 5 de febrero de 2010

5 AGRADECIMIENTOS Los Autores expresan su reconocimiento: Al Ingeniero FERNANDO ALBERTO NIETO CASTAÑEDA director temático, por su orientación, tiempo, apoyo y entrega a la presente investigación, por enseñarnos las prioridades de la vida y el esfuerzo que requieren los grandes logros. Al ingeniero ADOLFO CAMILO TORRES PRADA investigador del grupo CIROC, quien esclareció muchas dudas a lo largo del presente proceso, siendo pieza clave para la ejecución y selección del tema de dicha investigación. A JOSÉ LUIS ROZO y RICARDO FAJARDO por la orientación técnica, su tiempo, paciencia y definitivamente por su inmensa colaboración para la ejecución del presente trabajo. A la ingeniera NATALIA EUGENIA MARÍN RIVEROS por su infinita colaboración como amiga y profesional, pues su tiempo y energía fueron vitales para salir delante de muchos problemas y terminar lo inalcanzable..

6 DEDICATORIA Cuando empezamos nuevos retos, muchas veces sin darnos cuenta vamos conociendo, interactuando y sin importar la meta que se quiera alcanzar, siempre se presentan obstáculos, es por ello que dedico este logro con todo el corazón a mis padres que sin importar lo que pase, me han apoyado de manera incansable día tras día para hacerme una mejor persona. A mi compañero y amigo de siempre Danilo Edgardo Molano Suescun quien me acompaña desde el inicio de este objetivo, apoyándome y estando siempre ahí, para enfrentar los problemas que recorremos a diario, aprendiendo lecciones que influyen en mi desarrollo personal. A mis hermanos que muchas veces con sus regaños influyeron para sobresalir siempre, sin importar el esfuerzo que causen nuestras metas. Al ingeniero Harold Amaya que a pesar de lo valioso del tiempo, estuvo dispuesto a colaborar, con el fin de obtener ese logro tan anhelado por mí. A esa persona que siempre me guía, que siempre está conmigo, apoyando mis decisiones y cuestionándolas cuando se requiere, que sin importar lo que pase y donde esté se preocupa por mí como mi ángel guardián, muchas gracias Julie Carolina Díaz. MIGUEL FERNANDO LÓPEZ PRIETO.

7 Mientras se recorre el camino de la vida, nos encontramos con personas que en muchos casos sin quererlo se convierten en factores influyentes en cómo nos portamos y cómo afrontamos las diferentes situaciones que se nos presentan, es por eso que dedico este objetivo a mi padres que siempre me apoyaron en lo que necesitaba, en quienes puedo confiar ciegamente. A mis abuelos que toda mi vida se han portado como mis padres y a quienes nunca terminaré de agradecerle por aceptarme y criarme como si fuera un hijo más. A mis tíos quienes me han demostrado su cariño de muchas formas me han guiado con su ejemplo y su forma de afrontar las dificultades que se les presentan. A mis hermanos para quienes he tratado de ser un buen ejemplo y modelo a seguir y quienes con su cariño me alientan a seguir adelante. A mi amigo Miguel Fernando López quien me ayudó y guió en las dificultades que se presentaron. A Jessica Beltrán Pulido quien me apoyó, me tuvo paciencia y sirvió de consejera en muchos aspectos de mi vida y se convirtió en una persona muy importante que cambió mi forma de pensar. DANILO EDGARDO MOLANO SUESCUN.

8 CONTENIDO INTRODUCCIÓN 15 1 EL PROBLEMA LÍNEA TÍTULO DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA FORMULACIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos 19 2 MARCO REFERENCIAL MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL MARCO NORMATIVO MARCO CONTEXTUAL 27 3 METODOLOGÍA DIAGRAMA METODOLÓGICO OBJETO DE ESTUDIO INSTRUMENTOS 39

9 3.4 VARIABLES HIPÓTESIS COSTOS 40 4 TRABAJO INGENIERIL SELECCIÓN DEL TRAMO REALIZACIÓN DE LOS SONDEOS ENSAYOS Ensayos de clasificación Ensayo de corte directo Ensayo de compresión triaxial con fotogrametría digital ANÁLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES 76 6 RECOMENDACIONES 77 BIBLIOGRAFÍA 79 ANEXOS 81 RECURSOS MATERIALES 87. 9

10 LISTA DE TABLAS Tabla 1 Normatividad 26 Tabla 2 Parametros de los depósitos arcillosos segun estudio DISEÑOS DE OBRAS DE EXPANSIÓN, DISEÑOS BÁSICOS INTERCEPTOR RÍO BOGOTÁ FUCHA TUNJUELO, Tabla 3 Muestras ensayadas en compresion triaxial con fotogrametria digital. 33 Tabla 4 Muestras ensayadas con corte directo. 33 Tabla 5 Variable del objeto de estudio 39 Tabla 6 Resumen muestras tomadas 43 Tabla 7 Resumen clasificación SUSC 44 Tabla 8 Muestras ensayadas con el procedimiento de corte directo 45 Tabla 9 Propiedades físicas de la muestra 46 Tabla 10 Cálculos ensayo corte directo de la muestra (1). 47 Tabla 11 Resultados corte directo 49 Tabla 12 Cálculo esfuerzo cortante (τ) final. 49 Tabla 13 Cálculo esfuerzo normal (σ) final 50 Tabla 14 Resultados ensayo triaxial 53 Tabla 15 Muestras ensayadas con compresión triaxial 59 Tabla 16 Propiedades físicas de la muestra 59 Tabla 17 Constantes del equipo triaxial 60 Tabla 18 Cálculo del ensayo triaxial 61

11 Tabla 19 Resumen módulo de elasticidad obtenido 65 Tabla 20 Muestras analizadas por medio de fotogrametría digital. 66 Tabla 21 Mediciones de las muestras tomadas en el software IMAGESTATION

12 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Equipo de corte directo 24 Figura 2 Equipo Triaxial 25 Figura 3 Hardware ImageStation 26 Figura 4 Ubicación de los sondeos realizados por los investigadores 28 Figura 5 Diagrama metodológico general. 35 Figura 6 Diagrama metodólogico corte directo 36 Figura 7 Diagrama metodólogico ensayo triaxial con fotogrametría digital 37 Figura 8 Diagrama metodólogico cálculos 38 Figura 9 Selección de tramos 42 Figura 10 Realización de sondeos 43 Figura 11 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S3M8 51 Figura 12 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S1M1 51 Figura 13 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S3M2 52 Figura 14 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S3M6 52 Figura 15 Pares estereoscopicos ensayo triaxial 55 Figura 16 Orientacion relativa y absoluta 56 Figura 17 Datos de entrada de la cámara 57 Figura 18 Creación de fajas por cada muestra analizada. 58 Figura 19 Información correspondiente a los pares estereoscópicos 58 Figura 20 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S2M6 63

13 Figura 21 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S1M1 64 Figura 22 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S2M8 64 Figura 23 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S3M6 65 Figura 24 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S1M8 68 Figura 25 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S1M1 68 Figura 26 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S2M6 69 Figura 27 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S2M8 69 Figura 28 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S3M6 70 Figura 29 Cálculo coeficiente de Poisson 70 Figura 30 Perfiles preliminares 72 Figura 31 Perfil promedio tramo en estudio

14 LISTA DE ANEXOS ANEXO A Registro sondeos realizados ANEXO B Formatos empleados ANEXO C Recursos ANEXO D Límites de consistencia ANEXO E Corte directo ANEXO F Ensayo triaxial

15 INTRODUCCIÓN El proyecto de grado caracterización de parámetros de resistencia y compresibilidad de suelos en la construcción del túnel del interceptor Fucha - Tunjuelo pertenece al grupo Centro de Investigación en Riesgos de Obras Civiles (CIROC) y se desarrolla dentro de la línea de excavaciones y estructuras de sostenimiento, el cual hace parte del proyecto de investigación Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de túneles en suelos blandos cuyos investigadores principales son el Ingeniero Civil Ph.D. Adolfo Camilo Torres Prada y el Ingeniero Civil M.Sc. Fernando Alberto Nieto Castañeda y tiene como fin dar inicio al proceso investigativo para evaluar parámetros que puedan encontrar el fenómeno de la subsidencia. El fenómeno de la subsidencia se identifica por asentamientos al nivel del terreno causados por la construcción de túneles, sin importar el método usado, lo que puede provocar inestabilidad en zonas densamente pobladas, por lo que es fundamental caracterizar el suelo con el fin de encontrar los parámetros de resistencia y compresibilidad necesarios para el modelamiento físico y matemático del suelo analizado.

16 1 EL PROBLEMA 1.1 LÍNEA El presente proyecto de investigación corresponde a la línea de excavaciones y estructuras de sostenimiento según las líneas de investigación establecidas por la Facultad de Ingeniería Civil y pertenece al grupo Centro de Investigación en Riesgos de Obras Civiles (CIROC). 1.2 TÍTULO Caracterización de parámetros de resistencia y compresibilidad de suelos en la construcción de túneles del interceptor Fucha - Tunjuelo. 1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Debido a la implementación de nuevos sistemas para la construcción de túneles en Bogotá D. C. se ha presentado una expectativa para la adecuación de las redes de servicios públicos y saneamiento básico en zonas altamente habitadas, afectación que incide directamente en la población circundante, pues el montaje de túneles hasta el momento se ha realizado en zonas despejadas y áreas no residenciales. Varios autores han estudiado el fenómeno de la subsidencia para terrenos diferentes a los encontrados en Bogotá, es por esta razón que en la actualidad se

17 presenta una gran debilidad para disminuir el nivel de incertidumbre, por lo que es necesario conocer los parámetros reales del suelo para poder realizar un estudio adecuado de dicha subsidencia en suelos bogotanos, esto con el fin de reducir daños en las construcciones aledañas a los túneles los cuales se deben construir para la adecuación y mejoramiento de los servicios públicos. Dentro de la investigación Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de túneles en suelos blandos, desarrollada por los ingenieros Camilo Torres y Fernando Nieto, que busca mejorar los parámetros de resistencia y elásticos del suelo en un tramo a modelar con el fin de poder calibrar tanto los modelos físicos como los matemáticos para predecir el comportamiento del suelo a futuro. 1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Cuál es el valor de los parámetros del suelo para el tramo en estudio del túnel del interceptor Fucha-Tunjuelo para su modelamiento físico y matemático? 1.5 JUSTIFICACIÓN Es importante conocer la incidencia que produce la construcción de túneles que debido a su baja aplicación en Colombia no se tienen completamente referenciadas, como se expuso anteriormente, la población es directamente afectada por este problema y se debe plantear una solución acorde para la 17

18 situación, por esta razón se plantea el estudio del suelo en la construcción del túnel mencionado. Para poder realizar modelos matemáticos y físicos que se acerquen al comportamiento real del suelo es de gran importancia una adecuada caracterización de los parámetros de compresibilidad y resistencia del mismo, lo que permite adecuados diseños involucrando una disminución de los efectos de subsidencia que produce la construcción de un túnel a construcciones aledañas. Para abordar el proyecto se tuvo en cuenta un estudio preliminar adoptado por la EAAB el cual caracterizaba el suelo afectado por la construcción del túnel, por lo que se profundizó la caracterización de los parámetros del tramo estudiado empleando técnicas como la fotogrametría close range. En el empeño de conseguir nuevos métodos para lograr una menor afectación social y ambiental, y teniendo en cuenta los altos incrementos demográficos en la ciudad de Bogotá, cada vez se tiene menos superficie para construir las estructuras que necesita la ciudad para mejorar sus condiciones en los diferentes tipos de servicios urbanos (canalizaciones, centros comerciales, plantas de tratamiento, acueductos, etc.), por lo tanto la ciudad se debe encaminar hacia el aprovechamiento del subsuelo. Sin importar el tipo de estructura, ésta incide en el comportamiento del suelo generando un cambio de esfuerzos y favoreciendo la presencia de deformaciones, donde nace el objeto de la investigación Evaluación del fenómeno de la 18

19 subsidencia originado por la construcción de túneles en suelos blandos desarrollada por los ingenieros Camilo Torres y Fernando Nieto donde se implementan metodologías para la obtención de parámetros de resistencia y compresibilidad en estructuras geotécnicas de gran tamaño que puedan predecir el comportamiento del suelo utilizando técnicas como la fotogrametría digital adoptadas por el grupo de investigación CIROC de la Universidad de La Salle. 1.6 OBJETIVOS Objetivo general Determinar el valor de los parámetros de resistencia y compresibilidad del suelo del tramo analizado Objetivos específicos Hallar el módulo de elasticidad del suelo mediante el ensayo de compresión triaxial (no consolidado, no drenado). Determinar el valor de la relación de Poisson del suelo objeto de estudio mediante la fotogrametría de close range aplicada al ensayo de compresión triaxial. Obtener los valores de cohesión y ángulo de fricción empleando el ensayo de corte directo. Obtener la densidad para el suelo analizado. 19

20 Determinar el ángulo de dilatancia mediante el empleo de relaciones matemáticas. 20

21 2 MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL SUBSIDENCIA: La excavación de un túnel induce en el terreno un cambio en su estado de esfuerzos el cual origina deformaciones en un espacio de influencia alrededor de la excavación, deformaciones que en el caso de túneles con poca cobertura y dependiendo del tipo de terreno provocan, el desarrollo de movimientos relativos por delante del frente de excavación en superficie, fenómeno conocido como subsidencia. DEFORMACIÓN UNITARIA: Cualquier cambio en la forma o apariencia debido a la aplicación de una fuerza en un cuerpo origina un cambio de longitud por unidad de longitud. DEFORMACIÓN VOLUMÉTRICA: La deformación volumétrica está definida como el cambio de volumen unitario (cambio del volumen total V dividido por el volumen original V). MÓDULO ELÁSTICO: La razón de proporcionalidad entre el esfuerzo (fuerza por unidad de área) y deformación unitaria (deformación por unidad de longitud) está dada por la constante E, denominada módulo de Young, que es característico de cada material

22 COEFICIENTE DE POISSON: Se encuentra definido como la relación de las deformaciones perpendicular a la axial. COHESIÓN: Es la cualidad del terreno por la cual las partículas del mismo se mantienen unidas debido a fuerzas internas originadas por el número de puntos de contacto que cada partícula tiene con las mismas. ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA: Es la resistencia al deslizamiento causado por la fricción que hay entre las superficies de contacto de las partículas y de su densidad. DILATANCIA: El fenómeno de dilatancia corresponde a un aumento de volumen del material al aplicarle una deformación de corte. RECOLECCIÓN DE MUESTRAS EN EL TERRENO: Tiene como fin obtener las muestras de suelo para realizar los correspondientes ensayos de laboratorio, en esta actividad se emplearon los siguientes elementos: Barreno manual. Cuchara partida (split spoon) Tubería de perforación Martinete de 140lb (63.6Kgf) 22

23 Para determinar las propiedades del suelo del tramo en estudio se realizaron los siguientes ensayos de laboratorio: ENSAYO DE LÍMITE LÍQUIDO: Es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo se comporta como un material plástico. A este nivel de contenido de humedad el suelo está en el vértice de cambiar su comportamiento al de un fluido viscoso. 1 Tiene como fin encontrar la humedad en la cual al hacer una ranura en una muestra colocada en el aparato de Casagrande y darle exactamente 25 golpes se cierran las dos partes del suelo mínimo 12mm longitudinalmente. 2 ENSAYO DE LÍMITE PLÁSTICO: Es el contenido de humedad por debajo del cual se puede considerar el suelo como material no plástico 3. Tiene como fin encontrar la humedad en la cual al hacer con la muestra un cilindros o bastoncito que al llegar exactamente a 3mm de diámetro se agrieta. 4 ENSAYO DE CORTE DIRECTO: Permite encontrar el esfuerzo máximo en la superficie de corte de la muestra ensayada, así como la cohesión y el ángulo de fricción del suelo. 1 BOWLES, J. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniería Civil. p ARANGO, A. Manual de Laboratorio de Mecánica de Suelos. p Opcit. p Opcit. p

24 Figura 1 Equipo de corte directo5 Debe tenerse en cuenta que estos ensayos no son solo para muestras de suelo, sino que también se utilizan para muestras artificiales, desarrolladas para la construcción de modelos físicos, los cuales permiten estudiar de forma más detallada el suelo que se va a utilizar en un proyecto 6. ENSAYO TRIAXIAL: Ensayo que permite encontrar parámetros mecánicos del suelo como cohesión y ángulo de fricción, además mediante la fotogrametría digital se obtienen parámetros elásticos como lo son el módulo de elasticidad, el módulo de Poisson y el ángulo de dilatancia. Una forma de realizar el ensayo triaxial es el no consolidado no drenado (U) o ensayo rápido), Este ensayo debe ser realizado con la válvula de drenaje cerrada para todas las fases del ensayo y antes que la muestra tenga 5 BOWLES, J. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil. 2ed. p Marin, Natalia. EVALUACIÓN DE PARÁMETROS ELÁSTICOS DE MEZCLAS ARTIFICIALES DE SUELOS PARA MODELOS DEL LABORATORIO GEOLAB

25 posibilidades de consolidarse. El ensayo se comienza inmediatamente después de estabilizar la presión en la cámara. 7 El ensayo de compresión triaxial se realiza por medio del equipo triaxial el cual está compuesto por las siguientes piezas (Figura 2) Figura 2 Equipo Triaxial 8 Actualmente se está explorando una alternativa para la medición de deformaciones de las muestras en el laboratorio de suelos de la Universidad de La Salle, este método conocido como fotogrametría digital o de Close Range, se complementa con el ensayo triaxial y se puede definir como: 7 BOWLES, J. Manual de Laboratorio de Suelos en Ingeniera Civil. 2ed. p BISHOP, A. The measurement of the properties in the triaxial test. Part II: Principal features of the triaxial apparatus. Edward Arnold Publishers. London: p

26 FOTOGRAMETRÍA DE CLOSE RANGE: Es un método que permite, mediante el uso de software y hardware especializado analizar las fotografías digitales y así medir longitudes de la muestra para poder calcular deformaciones tal como es explicado en la investigación de Marín (2008) Evaluación de Parámetros Elásticos de Mezclas Artificiales de Suelos para Modelos del Laboratorio Geolab. Figura 3 Hardware ImageStation 2.2 MARCO NORMATIVO Tabla 1 Normatividad NORMA TÍTULO DESCRIPCIÓN I.N.V. E-102 I.N.V. E-103 I.N.V. E-105 Descripción e identificación de suelos (procedimiento visual y manual) Conservación y transporte de muestras de suelos Usando el examen visual y mediante ensayos manuales simples, esta norma da los criterios para describir e identificar los suelos Normaliza el método para la conservación y transporte de muestras de suelos Obtención de muestras para Normaliza el procedimiento 26

27 NORMA TÍTULO DESCRIPCIÓN probetas de ensayo mediante para la obtención de tubos de pared delgada muestras para probetas de ensayo mediante tubos de I.N.V. E-111 I.N.V. E-153 I.N.V. E-154 I.N.V. E-125 I.N.V. E-126 Ensayo de penetración normal y muestreo con tubo partido de los suelos Parámetros de resistencia del suelo mediante compresión triaxial. Determinación de la resistencia al corte método de corte directo Determinación del límite líquido Determinación del límite plástico pared delgada Describe los procedimientos para realizar ensayos SPT mediante tubos de cuchara partida Normaliza el método para la realización del ensayo en la cámara triaxial. Normaliza el método de realización del ensayo de corte directo Normaliza el método de realización del ensayo limite líquido Normaliza el método de realización del ensayo límite plástico 2.3 MARCO CONTEXTUAL El túnel objeto de estudio hace parte del Plan Maestro desarrollado por la Empresa de Acueducto Agua y Alcantarillado de Bogotá en busca de mejorar las condiciones de vida de los bogotanos. Esta obra de infraestructura es de las primeras en su tipo en Colombia debido a la implementación de máquinas tuneladoras tipo EPB, las cuales por su sistema constructivo permiten en muy poco tiempo la construcción integral del túnel, además de tratarse de una estructura aplicada a servicios públicos. El túnel presenta las siguientes características 9 : Tipo de sección: Circular 9 Gerencia Corporativa del Sistema Maestro, Dirección Red Troncal de Alcantarillado, Cuenca Tunjuelo. Estado de las Obras de Saneamiento, Octubre

28 Diámetro interno: 3.75m Revestido con dovelas prefabricadas en concreto. Espesor dovelas: 0.25cm Diámetro externo: 4.0m Pendiente del túnel: 0.05% Longitud 9.4Km Profundidades entre 7 y 15 metros El tramo en estudio del interceptor Fucha-Tunjuelo, se encuentra localizado en la localidad de Bosa de la ciudad de Bogotá D. C. en el Km de la alineación horizontal del trazado del túnel. Figura 4 Ubicación de los sondeos realizados por los investigadores Imagen tomada de Google Earth 28

29 Al analizar la información existente de las propiedades estratigráficas obtenidas por HMV INGENIEROS DISEÑOS DE OBRAS DE EXPANSIÓN, DISEÑOS BÁSICOS INTERCEPTOR RÍO BOGOTÁ FUCHA TUNJUELO, 2005, se obtienen los siguiente parámetros. Para los depósitos arcillosos se tiene: Tabla 2 Parametros de los depósitos arcillosos segun estudio DISEÑOS DE OBRAS DE EXPANSIÓN, DISEÑOS BÁSICOS INTERCEPTOR RÍO BOGOTÁ FUCHA TUNJUELO, 2005 PARÁMERO MÍNIMO MEDIO MÁXIMO COMENTARIO Peso unitario (KN/m 3 ) Ensayo de peso unitario Módulo de deformación por corte no drenado a un esfuerzo igual al 50% de la falla E50 (KPa) De ensayos triaxiales Resistencia al corte no Ensayo de veleta en drenada cu (KPa) campo Resistencia al corte no Ensayo de compresión drenada cu (KPa) inconfinada Valores N del ensayo de SPT Profundidades hasta 7m Ángulo de fricción interno Ensayos triaxial CU Cohesión drenada C (KPa) Ensayos triaxial CU Humedad natural wn(%) De ensayos en general Para los depósitos arenosos se encuentra: Los parámetros de los deósitos de arenas utilizados para el análisis son: Ángulo de fricción: 35 Rango de valores de N corregido obtenidos de los ensayos de SPT : Cohesión: c= 5KPa. Módulo de deformación al corte= KPa. Peso unitario: 17KN/m 3 Al analizar la información anteriormente mostrada, se argumenta la necesidad de realizar una caracterización completa del suelo objeto de estudio, esto con el fin de obtener los parámetros necesarios para modelar el suelo en procesos futuros concernientes a la investigación del fenómeno de subsidencia en la construcción de túneles. 29

30 3 METODOLOGÍA La investigación que se pretende desarrollar es de tipo experimental, como lo menciona LERMA 10, puesto que en el área de la geotecnia se presentan con mucha frecuencia incertidumbres que son claves en el momento de definir las problemáticas de un proyecto en general, pues se relaciona claramente el tipo de investigación con los objetivos de la misma que vinculan la causa y efecto entre dos o más variables, lo cual es expresado claramente como el diseño experimental al aislar la variable independiente de interés pretende eliminar, en lo posible, cualquier variable extraña (de confusión) que pueda interferir en la relación y distorsionar las conclusiones sobre la variable independiente y dependiente en estudio. 11 Continuando con este orden de ideas, y ante la necesidad de conocer la clase de suelo analizado, fue indispensable averiguar las características físicas y mecánicas del suelo y entender su comportamiento para su posterior modelación la cual hace parte de la investigación Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de túneles en suelos blandos, desarrollada por los ingenieros Camilo Torres y Fernando Nieto, que busca encontrar los parámetros de resistencia y compresibilidad del suelo en un tramo a modelar con el fin de 10 LERMA, Héctor Daniel. Metodología de la investigación. En: LERMA, Héctor Daniel. Metodología de la investigación. Bogotá D.C.: ECOE EDICIONES; p. 11 Ibíd.,p

31 poder calibrar tanto los modelos físicos como los matemáticos para predecir el comportamiento del suelo a futuro, aunque para llegar a esto se deben tener en cuenta una serie de criterios y correlaciones que se emplean para determinar con cierta certeza los parámetros del mismo, mediante los análisis de laboratorio, dicho esto, la metodología a seguir es la siguiente: ETAPA PRELIMINAR. Recopilación y análisis de información existente. Fue fundamental antes del inicio del proyecto la búsqueda de información existente que pueda dar a conocer algunas características que enmarquen la naturaleza del proyecto, donde se estudió el informe geotécnico elaborado por HMV INGENIEROS (2005). Localización del sitio en el cual se hizo la intervención. Este paso se realizó dentro del terreno en el cual se localizó la situación del predio, encontrando la mejor ubicación para realizar las perforaciones, analizando la topografía del lugar y omitiendo actividades como el descapote del suelo además se tuvo en cuenta los problemas de orden social de la zona y la proximidad del frente de excavación. Realización de las perforaciones. Luego del análisis previo de la zona, se procedió a la realización de tres sondeos, en las abscisas Km , Km y Km , a una profundidad máxima de 10m debido a que es importante caracterizar las 31

32 propiedades de resistencia y compresibilidad hasta el estrato en el cual se encuentra ubicado el túnel del interceptor Fucha - Tunjuelo; escogiendo estos puntos óptimos, por la proximidad de excavación del túnel. Toma de muestras. Con cada perforación se procedía a extraer muestras, mediante barreno, tubo Shelby y tubo de cuchara partida, considerando los cambios estratigráficos del suelo, dichas muestras se etiquetaban y se disponían en la caja de muestras para su correcta manipulación, embalaje y transporte al laboratorio de suelos de la Universidad de La Salle. ETAPA EXPERIMENTAL. Ensayos de laboratorio. En esta fase se realizaron ensayos de clasificación a la totalidad de las muestras obtenidas, 23 en total, se les hizo los ensayos de clasificación SUSC (Sistema Unificado de Clasificación de Suelos). Se les hizo el ensayo de compresión triaxial a 5 muestras que se presentaban en buenas condiciones y cuyas profundidades eran idóneas para encontrar el módulo de elasticidad del suelo intervenido y armar el correspondiente perfil. Además del ensayo triaxial se implementó la fotogrametría digital para de esta forma estimar de manera concreta las dimensiones de las muestras y así calcular las deformaciones que presentaron. 32

33 Tabla 3 Muestras ensayadas en compresion triaxial con fotogrametria digital. SONDEO MUESTRA TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN PROF. (m) W nat.(%) LL (%) LP (%) IP (%) SUCS S1 M1 Shelby Arcilla gris oscuro CH S1 M8 SPT Arena fina verde NL NP LAVADO SM S2 M6 SPT Arcilla gris CH S2 M8 SPT Arcilla arenosa CH S3 M6 SPT Arena fina NL NP LAVADO SM Para hallar el ángulo de fricción y la cohesión de las muestras, se utilizó el ensayo de corte directo, donde se sometieron 4 muestras que presentaban profundidades variadas con el fin desarrollar el perfil estratigráfico correspondiente. Tabla 4 Muestras ensayadas con corte directo. SONDEO MUESTRA TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN PROF. W nat. LL LP IP (m) (%) (%) (%) (%) SUCS S1 M1 Shelby Arcilla gris oscuro CH S2 M8 SPT Arcilla arenosa CH S3 M2 SPT Arena limosa NL NP LAVADO SP-SM S3 M6 SPT Arena fina NL NP LAVADO SM Para hallar la dilatancia necesaria para modelar matemáticamente el suelo se planteó emplear el ensayo de compresión triaxial con fotogrametría digital. Debido al sistema constructivo del túnel, donde se manejan rendimientos de 50 m/día y a que el fenómeno de subsidencia se presenta en durante la construcción en el frente de excavación, se decidió realizar ensayos no consolidados, no drenados para la obtención de los parámetros del suelo analizado. 33

34 Se efectuaron registros fotográficos con muy buena resolución, de todos los ensayos de laboratorio. ETAPA ANALÍTICA. Análisis de resultados. A partir de los ensayos realizados se procedió a determinar la caracterización del suelo intervenido, mediante hojas de cálculo y graficas, las cuales mostraron las particularidades del tramo en estudio (Clasificación SUSC, peso unitario, ángulo de fricción interna, cohesión, módulo de elasticidad, módulo de Poisson, dilatancia.), determinando la afectación que trae la construcción del túnel en dicho suelo. 34

35 3.1 DIAGRAMA METODOLÓGICO Figura 5 Diagrama metodológico general. 35

36 Figura 6 Diagrama metodólogico corte directo 36

37 Figura 7 Diagrama metodólogico ensayo triaxial con fotogrametría digital 37

38 Figura 8 Diagrama metodólogico cálculos 38

39 3.2 OBJETO DE ESTUDIO El objeto de estudio de la presente investigación fue la determinación de los parámetros de resistencia y compresibilidad del suelo en el túnel del interceptor Fucha Tunjuelo. 3.3 INSTRUMENTOS Para la implementación de la presente investigación se emplearon formatos de fotogrametría creados por los investigadores, tomando como punto de referencia los implementados por Natalia Eugenia Marín Riveros en su investigación EVALUACIÓN DE PARÁMETROS ELÁSTICOS DE MEZCLAS ARTIFICIALES DE SUELOS PARA MODELOS DEL LABORATORIO GEOLAB. Los formatos empleados se encuentran en el ANEXO B. 3.4 VARIABLES Tabla 5 Variable del objeto de estudio CATEGORÍA DE CONSTANTES VARIABLES INDICADORES ANÁLISIS TIEMPO DE FALLA DEFORMACIÓN VOLUMÉTRICA Y UNITARIA DENSIDAD COHESIÓN VALOR DE LOS PARÁMETROS ELÁSTICOS Y DE RESISTENCIA COORDENADAS X, Y, Z. TIPO DE SUELO ESFUERZO NORMAL ÁNGULO DE FRICCIÓN MÓDULO DE ELASTICIDAD PROFUNDIDAD DE MUESTRA RELACIÓN DE POISSON DENSIDAD DILATANCIA 39

40 3.5 HIPÓTESIS Las variables de estado del suelo, varían respecto de su profundidad. 3.6 COSTOS Los costos de esta investigación fueron de $ (ANEXO C) 40

41 4 TRABAJO INGENIERIL 4.1 SELECCIÓN DEL TRAMO Teniendo en cuenta la información recopilada en los diseños y construcción del túnel para el interceptor Fucha Tunjuelo, la cual fue desarrollada por HMV Ingenieros, en donde se estimaron posibles tramos para su posterior análisis, se relacionó la estratigrafía del terreno y los ensayos de laboratorio realizados, se descartaron tramos ideales para el estudio debido a demoras con el convenio y a la proximidad del frente de excavación, se escogió un tramo entre las abscisas Km y Km Considerando la localización de las abscisas se hizo una visita de obra previa en compañía de funcionarios de la EAAB, los ingenieros coinvestigadores Fernando Nieto y Camilo Torres y estudiantes del grupo de investigación CIROC de la Universidad de La Salle, con el fin de esclarecer la situación de los tramos, donde se analizaron las carteras topográficas suministradas por la EAAB y se escogieron los puntos para las perforaciones pertinentes basándonos en una distribución acorde para lograr una estratigrafía promedio.

42 Figura 9 Selección de tramos 4.2 REALIZACIÓN DE LOS SONDEOS A partir de la elección del tramo a intervenir, localizado en las abscisas Km y Km , se escogieron tres puntos para realizar los sondeos ubicados en las abscisas Km , Km y Km con el fin de obtener una estratigrafía lo más cercana a la realidad. Se utilizó un equipo completo de perforación manual, el cual constaba de tubería NQ, barrenos, tubos Shelby, tubos split spoon o de cuchara partida y procedimientos normalizados como el SPT (ensayo de penetración estándar), los cuales estaban acompañados de una cuadrilla de perforación, con amplia experiencia de sondeos en cualquier tipo de suelo. Se procedió a retirar la capa orgánica superficial con hoyadora o pala draga encontrando así el nivel a la cual comenzar a tomar muestras. 42

43 Tabla 6 Resumen muestras tomadas SONDEO 1 SONDEO 2 SONDEO 3 PROFUNDIDAD TIPO DE TIPO DE TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN MUESTRA OBSERVACIÓN MUESTRA MUESTRA MUESTRA MUESTRA OBSERVACIÓN Relleno orgánico Relleno orgánico Relleno orgánico M1-M2 Shelby Arcilla gris oscuro M1 Bolsa Arcilla gris oscuro M1 Shelby Arcilla gris oscuro M3 Shelby Arcilla gris-café M2-M3 Shelby - Bolsa Arcilla gris oscuro M4 SPT Arena limosa café M4 Shelby Arena gris M2 SPT Arena limosa M5 SPT Arena fina café M5 Bolsa Arena café M3 SPT Arcilla M6 SPT Arcilla limosa M6 SPT Arcilla gris M4 SPT Arcilla M7 SPT Limo arenoso M7 SPT Arcilla gris M8 SPT Arcilla arenosa M5 SPT Arcilla arenosa M6 SPT Arena fina M8 SPT Arena fina verde M9 SPT Arena fina verde Las muestras tomadas fueron embaladas de tal forma que conservaran sus propiedades iniciales y fueron almacenadas en una caja de muestras que las conservara lo mejor posible para su posterior transporte al laboratorio de suelos de la Universidad de La Salle. Figura 10 Realización de sondeos 43

44 4.3 ENSAYOS Con el fin de caracterizar los suelos, encontrar la estratigrafía promedio y obtener los parámetros necesarios para la modelación física y matemática se realizaron ensayos de clasificación y resistencia en el laboratorio de suelos de la Universidad de La Salle, utilizando el ensayo triaxial para encontrar los parámetros elásticos del suelo. Los ensayos realizados fueron los siguientes: Ensayos de clasificación. Se realizaron ensayos de límites de consistencia y lavado por el tamiz No.200 para encontrar el porcentaje de arena de las muestras. Límites de consistencia. Está compuesto por el ensayo de límite líquido y por el ensayo de límite plástico, por medio de estos ensayos se clasificaron las muestras de suelo según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUSC) Después de analizar la totalidad de las muestras se obtuvo el siguiente cuadro resumen. Tabla 7 Resumen clasificación SUSC SONDEO MUESTRA TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN PROF. (m) W nat. (%) LL (%) LP (%) IP (%) SUCS S1 M1 Shelby Arcilla gris oscuro CH S1 M2 Shelby Arcilla gris oscuro MH S1 M3 Shelby Arcilla gris-café CH S1 M4 SPT Arena limosa café SC S1 M5 SPT Arena fina café NL NP LAVADO SM S1 M6 SPT Arcilla limosa CH S1 M7 SPT Limo arenoso CL 44

45 SONDEO MUESTRA TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN PROF. (m) W nat. (%) LL (%) LP (%) IP (%) SUCS S1 M8 SPT Arena fina verde NL NP LAVADO SM S2 M1 Bolsa Arcilla gris oscuro CH S2 M2 Shelby Arcilla gris oscuro CH S2 M3 Bolsa Arcilla gris oscuro CL S2 M4 Shelby Arena gris SC S2 M5 Bolsa Arena café NL NP LAVADO SM S2 M6 SPT Arcilla gris CH S2 M7 SPT Arcilla gris CH S2 M8 SPT Arcilla arenosa CH S3 M1 Shelby Arcilla gris oscuro CH S3 M2 SPT Arena limosa NL NP LAVADO SP-SM S3 M3 SPT Arcilla CL S3 M4 SPT Arcilla CH S3 M5 SPT Arcilla arenosa CL S3 M6 SPT Arena fina NL NP LAVADO SM Ensayo de corte directo. Este ensayo permitió encontrar el ángulo de fricción y la cohesión de las muestras de suelo obtenidas, mediante el procedimiento normalizado según la norma I.N.V. E-154 Determinación de la resistencia al corte método de corte directo Se realizó dicho ensayo a cuatro muestras rectangulares que presentaban las condiciones y los criterios para analizarlas en base a su profundidad y clasificación: Tabla 8 Muestras ensayadas con el procedimiento de corte directo SONDEO MUESTRA TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN PROF. W nat. LL LP IP (m) (%) (%) (%) (%) SUCS S1 M1 Shelby Arcilla gris oscuro CH S2 M8 SPT Arcilla arenosa CH S3 M2 SPT Arena limosa NL NP LAVADO SP-SM S3 M6 SPT Arena fina NL NP LAVADO SM 45

46 Se realizó el siguiente procedimiento de cálculo: Sondeo 2, Muestra 8. Esta muestra corresponde a una arcilla arenosa con una profundidad de 8m Tabla 9 Propiedades físicas de la muestra DIMENSIONES PROBETA Lado, L1 (cm.) 6,537 6,057 6,012 Lado, L2 (cm.) 6,157 6,005 6,053 Altura, H (cm.) 2,300 2,314 2,324 Peso de la muestra, Wm (gr.) 166,05 160,25 162,78 Cálculo de la carga normal (P) de la muestra (1): Para el cálculo de la carga normal se tiene en cuenta la relación del brazo de la máquina de corte directo que en este caso es de 1: Cálculo del esfuerzo normal (σ) de la muestra (1): Á / 46

47 Tabla 10 Cálculos ensayo corte directo de la muestra (1). Deformación 2,32 Kg/cm2 Área Lectura Fuerza Esfuerzo Horiz. Unitaria de Corr. Carga de corte Nor. (σ) Cort. (τ) in (e) cm 2 10E-3 in (Kg.) (Kg/cm 2 ) (Kg/cm 2 ) ,000 0,00 40, ,12 2,32 0,10 0,000 0,00 40, ,25 2,32 0,20 0,000 0,00 40, ,99 2,32 0,32 0,000 0,00 40, ,00 2,32 0,50 0,001 0,00 40, ,36 2,32 0,63 0,002 0,00 40, ,89 2,32 0,74 0,003 0,00 40, ,28 2,32 0,90 0,004 0,00 40, ,64 2,32 1,04 0,010 0,01 40, ,72 2,33 1,44 0,020 0,02 39, ,04 2,34 1,88 0,040 0,04 39, ,88 2,36 2,27 0,060 0,07 39, ,60 2,38 2,05 0,080 0,09 38, ,98 2,39 1,87 0,100 0,11 38, ,24 2,41 1,77 0,120 0,13 38, ,14 2,44 1,70 0,140 0,15 37, ,88 2,46 1,65 0,160 0,18 37, ,81 2,48 1,61 0,180 0,20 37, ,37 2,50 1,59 0,200 0,22 37, ,93 2,52 1,56 0,250 0,28 36, ,63 2,58 1,51 0,300 0,33 35, ,54 2,63 1,46 Cálculo de la deformación unitaria (e) de la muestra (1): ó

48 Cálculo del área corregida de la muestra (1): 1 2 Á Á Á Á Cálculo de la fuerza de corte de la muestra (1): Cálculo del esfuerzo normal (σ) de la muestra (1): Á Cálculo del esfuerzo cortante (τ) de la muestra (1): Á 48

49 Tabla 11 Resultados corte directo ESFUERZO INICIAL (Kg/cm 2) 2,320 ESFUERZO CORTANTE (Kg/cm 2) 2,269 ESFUERZO NORMAL (Kg/cm 2) 2,398 Para obtener el esfuerzo cortante (τ) final se toma el valor máximo calculado en la Tabla 12, para dicho caso sería: Tabla 12 Cálculo esfuerzo cortante (τ) final. Deformación 2,32 Kg/cm2 Área Lectura Fuerza Esfuerzo Horiz. Unitaria de Corr. Carga de corte Nor. (σ) Cort. (τ) in (e) cm 2 10E-3 in (Kg.) (Kg/cm 2 ) (Kg/cm 2 ) ,000 0,00 40, ,12 2,32 0,10 0,000 0,00 40, ,25 2,32 0,20 0,000 0,00 40, ,99 2,32 0,32 0,000 0,00 40, ,00 2,32 0,50 0,001 0,00 40, ,36 2,32 0,63 0,002 0,00 40, ,89 2,32 0,74 0,003 0,00 40, ,28 2,32 0,90 0,004 0,00 40, ,64 2,32 1,04 0,010 0,01 40, ,72 2,33 1,44 0,020 0,02 39, ,04 2,34 1,88 0,040 0,04 39, ,88 2,36 2,27 0,060 0,07 39, ,60 2,38 2,05 0,080 0,09 38, ,98 2,39 1,87 0,100 0,11 38, ,24 2,41 1,77 0,120 0,13 38, ,14 2,44 1,70 0,140 0,15 37, ,88 2,46 1,65 0,160 0,18 37, ,81 2,48 1,61 0,180 0,20 37, ,37 2,50 1,59 0,200 0,22 37, ,93 2,52 1,56 0,250 0,28 36, ,63 2,58 1,51 49

50 Deformación 2,32 Kg/cm2 Área Lectura Fuerza Esfuerzo Horiz. Unitaria de Corr. de corte Nor. (σ) Cort. (τ) Carga in (e) cm 2 10E-3 in (Kg.) (Kg/cm 2 ) (Kg/cm 2 ) 0,300 0,33 35, ,54 2,63 1,46 Debido a que el criterio de diseño de estructuras no considera la falla del suelo como límite, para obtener el esfuerzo normal (σ) final se promedian los esfuerzos normales generados en la Tabla 13, para dicho caso sería: Tabla 13 Cálculo esfuerzo normal (σ) final Deformación 2,32 Kg/cm2 Área Lectura Fuerza Esfuerzo Horiz. Unitaria de Corr. Carga de corte Nor. (σ) Cort. (τ) in (e) cm 2 10E-3 in (Kg.) (Kg/cm 2 ) (Kg/cm 2 ) ,000 0,00 40, ,12 2,32 0,10 0,000 0,00 40, ,25 2,32 0,20 0,000 0,00 40, ,99 2,32 0,32 0,000 0,00 40, ,00 2,32 0,50 0,001 0,00 40, ,36 2,32 0,63 0,002 0,00 40, ,89 2,32 0,74 0,003 0,00 40, ,28 2,32 0,90 0,004 0,00 40, ,64 2,32 1,04 0,010 0,01 40, ,72 2,33 1,44 0,020 0,02 39, ,04 2,34 1,88 0,040 0,04 39, ,88 2,36 2,27 0,060 0,07 39, ,60 2,38 2,05 0,080 0,09 38, ,98 2,39 1,87 0,100 0,11 38, ,24 2,41 1,77 0,120 0,13 38, ,14 2,44 1,70 0,140 0,15 37, ,88 2,46 1,65 0,160 0,18 37, ,81 2,48 1,61 0,180 0,20 37, ,37 2,50 1,59 0,200 0,22 37, ,93 2,52 1,56 0,250 0,28 36, ,63 2,58 1,51 0,300 0,33 35, ,54 2,63 1,46 50

51 2.398 A partir de la tabulación de los esfuerzos cortantes se obtiene la gráfica esfuerzo cortante contra deformación unitaria, para dicho caso esta sería: Figura 11 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S3M8 2,5 ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACIÓN UNITARIA Esfuerzo Cortante (kg/cm 2 ) 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Deformación Unitaria (e) (2,32 kg/cm2) (0,63 kg/cm2) (1,26 kg/cm2) Figura 12 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S1M1 Esfuerzo Cortante (kg/cm 2 ) ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACIÓN UNITARIA 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 (0,43 kg/cm2) 0,6 (0,23 kg/cm2) 0,4 (0,88 kg/cm2) 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Deformación Unitaria (e) 51

52 Figura 13 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S3M2 0,6 ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACIÓN UNITARIA Esfuerzo Cortante (kg/cm 2 ) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Deformación Unitaria (e) (0,22 kg/cm2) (0,11 kg/cm2) (0,44 kg/cm2) Figura 14 Esfuerzo cortante contra Deformación unitaria de S3M6 1,4 ESFUERZO CORTANTE vs DEFORMACIÓN UNITARIA Esfuerzo Cortante (kg/cm 2 ) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Deformación Unitaria (e) (1,44 kg/cm2) (0,72 kg/cm2) 52

53 A partir de los ensayos realizados se obtuvieron los siguientes resultados. Tabla 14 Resultados ensayo triaxial PERFORACIÓN PROF. COHESIÓN ANGULO DE SONDEO MUESTRA (m) (Kg/cm 2 FRICCIÓN ) ( ) Ensayo de compresión triaxial con fotogrametría digital. Este ensayo se realizó mediante el procedimiento según la norma I.N.V. E-153 Parámetros de resistencia del suelo mediante compresión triaxial, además se complementó con el procedimiento de fotogrametría digital descrito en Marín 2008 EVALUACIÓN DE PARÁMETROS ELÁSTICOS DE MEZCLAS ARTIFICIALES DE SUELOS PARA MODELOS DEL LABORATORIO GEOLAB con el cual se miden deformaciones horizontales que permiten encontrar parámetros elásticos del suelo intervenido. Se tomaron imágenes digitales de alta resolución con el fin de medir las dimensiones de la muestra y así determinar las deformaciones a partir del ensayo de compresión triaxial, puesto que se tenía un par estereoscópico de fotografías, las cuales se montaban en una plataforma, con unos patrones de medida propios del software ImageStation utilizando elementos externos de precisión digital (hardware) los cuales permitían observar las fotografías en tres dimensiones y de esta forma encontrar las deformaciones de la muestra. Cabe anotar que el análisis de compresión triaxial con fotogrametría digital que se describe en Marín 2008 EVALUACIÓN DE PARÁMETROS ELÁSTICOS DE 53

54 MEZCLAS ARTIFICIALES DE SUELOS PARA MODELOS DEL LABORATORIO GEOLAB se efectuó para suelos artificiales mientras que en la presente investigación se trataron muestras de suelo real siendo el primero en su tipo en Colombia. A continuación se describe el procedimiento para el análisis digital de las imágenes tomadas en el ensayo triaxial: Ubicación de la cámara: Se ubicó la cámara de alta resolución de tal forma que se apreciará en su totalidad la cámara de compresión triaxial para este caso esta distancia fue de 90cm y se separó el lente de la cámara para cada par estereoscópico de fotografías 14 cm. Preparación de la cámara de compresión triaxial: Para referenciar las coordenadas relativas se debe preparar el equipo triaxial con puntos que se identifiquen en las dos fotografías del par estereoscópicos, se recomienda usar colores diferentes para tener mejor adaptación y esclarecer mejor el entorno. Toma de fotografías: Según recomendaciones en Marín 2008 EVALUACIÓN DE PARÁMETROS ELÁSTICOS DE MEZCLAS ARTIFICIALES DE SUELOS PARA MODELOS DEL LABORATORIO GEOLAB se tomaron fotografías al inicio del ensayo en las lecturas de deformación correspondientes a los valores 20, 40, 60, 80, 100, (10-3 cm) para lograr una mejor definición de la curva de Deformación Unitaria contra. Deformación Volumétrica. 54

55 Figura 15 Pares estereoscopicos ensayo triaxial Fotogramtería digital Procesamiento de imágenes: Después de tener los pares estereoscópicos de imágenes se procedió a analizarlas por medio del software ImageStation donde se realizaron los siguientes pasos descritos por Marín, 2008 en su investigación EVALUACIÓN DE PARÁMETROS ELÁSTICOS DE MEZCLAS ARTIFICIALES DE SUELOS PARA MODELOS DEL LABORATORIO GEOLAB : En la Figura 15 se observan los puntos de referencia anteriormente mencionados, los cuales sirven para identificar puntos en común en el par estereoscópico de 55

56 fotografías para poder determinar la orientación relativa y absoluta para apreciar la imagen de la muestra en tres dimensiones. Figura 16 Orientacion relativa y absoluta 56

57 Figura 17 Datos de entrada de la cámara 57

58 Figura 18 Creación de fajas por cada muestra analizada. Figura 19 Información correspondiente a los pares estereoscópicos 58

59 El procedimiento anterior se realizó con cinco muestras que presentaban las condiciones y los criterios para analizarlas: Tabla 15 Muestras ensayadas con compresión triaxial SONDEO MUESTRA TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN PROF. (m) W nat.(%) LL (%) LP (%) IP (%) SUCS S1 M1 Shelby Arcilla gris oscuro CH S1 M8 SPT Arena fina verde NL NP LAVADO SM S2 M6 SPT Arcilla gris CH S2 M8 SPT Arcilla arenosa CH S3 M6 SPT Arena fina NL NP LAVADO SM Sondeo 2, Muestra 6. Propiedades físicas de la muestra: Tabla 16 Propiedades físicas de la muestra PROPIEDAD CANTIDAD UNIDAD Diámetro 3.54 cm Altura cm Peso g Cálculo del área de la muestra: Cálculo del volumen de la muestra: Cálculo de la densidad de la muestra: Á

60 / Constantes del equipo triaxial: Tabla 17 Constantes del equipo triaxial CONSTANTE CANTIDAD UNIDAD Velocidad de carga mm/min Constante del anillo kg Cálculo de la presión de cámara: Para este cálculo se tuvo en cuenta los pesos unitarios obtenidos de todas las muestras de suelo, se asumió un peso unitario de 1.1gr/cm3 para la capa de suelo orgánico. Donde:

61 Cálculo del ensayo triaxial Tabla 18 Cálculo del ensayo triaxial Tiempo Lect deform Deform de carga AL (cm) (col2 x 0.001) Deform unitaria Factor de corr de area Area corregida (m2) Esfuerzo desviador (kpa) ,0 0,000 0,0000 1,0000 0, , ,0 0,005 0, , , , ,0 0,010 0, , , , ,0 0,015 0, , , , ,0 0,020 0, , , , ,0 0,030 0, , , , ,0 0,040 0, , , , ,0 0,050 0, , , , ,0 0,060 0, , , , ,0 0,070 0, , , , ,0 0,080 0, , , , ,0 0,090 0, , , , ,0 0,100 0, , , , ,0 0,120 0, , , , ,0 0,140 0, , , , ,0 0,160 0, , , , ,0 0,180 0, , , , ,0 0,200 0, , , , ,0 0,220 0, , , , ,0 0,240 0, , , , ,0 0,260 0, , , , ,0 0,280 0, , , , ,0 0,300 0, , , , ,0 0,320 0, , , , ,0 0,340 0, , , , ,0 0,360 0, , , , ,0 0,380 0, , , , ,0 0,400 0, , , , ,0 0,420 0, , , , ,0 0,440 0, , , , ,0 0,460 0, , , , ,0 0,480 0, , , , ,0 0,500 0, , , , ,0 0,550 0, , , , ,0 0,600 0, , , ,24 Para ejemplificar los procedimientos de cálculo se tomarán los datos resaltados correspondientes a la lectura de deformación de 240 en un tiempo de

62 Cálculo de la deformación unitaria: ó / / Cálculo del factor de corrección del área: ó á 1 ó á ó á Cálculo del área corregida: Á Á ó á Á.. Á Cálculo del esfuerzo desviador: ó 9.81 Á

63 Después de realizar el procedimiento anterior a las cinco muestras se obtuvieron las siguientes gráficas: Figura 20 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S2M6 Esfuerzo Desviador (KPa) Deformación Unitaria Vertical Vs. Esfuerzo Desviador 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 E50 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 Deformación Unitaria 63

64 Figura 21 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S1M1 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 Esfuerzo Desviador (KPa) Deformación Unitaria Vertical Vs. Esfuerzo Desviador E 50 Deformación Unitaria Figura 22 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S2M8 300,00 Deformación Unitaria Vertical Vs. Esfuerzo Desviador 250,00 Esfuerzo Desviador (KPa) 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 E 50 0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 Deformación Unitaria 64

65 Figura 23 Deformación unitaria Contra Esfuerzo desviador para S3M6 300,00 Deformación Unitaria Vertical Vs. Esfuerzo Desviador Esfuerzo Desviador (KPa) 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 E 50 0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 Deformación Unitaria De las gráficas anteriores se obtuvo: Tabla 19 Resumen módulo de elasticidad obtenido PERFORACIÓN PROF. MODULO ELÁSTICO SONDEO MUESTRA (m) E 50 (Mpa) Fotogrametría digital. Las cinco muestras que fueron sometidas al ensayo de compresión triaxial fueron analizadas mediante el procedimiento de fotogrametría digital utilizando el siguiente procedimiento de cálculo: 65

66 Tabla 20 Muestras analizadas por medio de fotogrametría digital. SONDEO MUESTRA TIPO DE MUESTRA OBSERVACIÓN PROF. (m) W nat.(%) LL (%) LP (%) IP (%) SUCS S1 M1 Shelby Arcilla gris oscuro CH S1 M8 SPT Arena fina verde NL NP LAVADO SM S2 M6 SPT Arcilla gris CH S2 M8 SPT Arcilla arenosa CH S3 M6 SPT Arena fina NL NP LAVADO SM SONDEO 1 MUESTRA 8 á á 2 ó é ó ó é

67 Tabla 21 Mediciones de las muestras tomadas en el software IMAGESTATION UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL MEDICIÓN DE LAS DEFORMACIONES DE LA MUESTRA MUESTRA: 8 SONDEO: 1 FECHA: 16 de marzo de 2009 Alto Ancho Alto Ancho % de % de Volumen N Real Real Deform Deform Muestra Muestra Error Error Muestra Foto Muestra Muestra Vertical Horiz (cm) (cm) Alto Ancho (cm3) (cm) (cm) N de Faja Deform Volumet Deform Unitaria A partir de los resultados de la Tabla 21 se obtiene la gráfica de deformación unitaria obtenida del ensayo triaxial contra deformación volumétrica conseguida de fotogrametría digital que permite obtener el coeficiente de Poisson y el ángulo de dilatancia. Es preciso aclarar que los estándares de la fotogrametría digital permite porcentajes de erro de máximo 12%, por lo que se considera aceptable el análisis anteriormente ejecutado. 67

68 Figura 24 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S1M8 Deformación volumétrica 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 Deformación Unitaria Vertical Vs. Deformación Volumétrica 0,000 0,0000 0, , , , , , , ,05425 Deformación Unitaria Figura 25 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S1M1 Deformación volumétrica 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 Deformación Unitaria Vertical Vs. Deformación Volumétrica Deformación Unitaria 68

69 Figura 26 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S2M6 Deformación volumétrica Deformación Unitaria Vertical Vs. Deformación Volumétrica 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 0,0000 0, , , , , , , ,05425 Deformación Unitaria Figura 27 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S2M8 0,030 Deformación Unitaria Vertical Vs. Deformación Volumétrica Deformación volumétrica 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0, , , , , , , , , ,1023 0,12788 Deformación Unitaria 69

70 Figura 28 Deformación unitaria contra deformación volumétrica S3M6 Deformación volumétrica Deformación Unitaria Vertical Vs. Deformación Volumétrica 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0,000 0, , , , , , , , , ,12626 Deformación Unitaria A partir de las gráficas anteriores se puede calcular el coeficiente de Poisson y el ángulo de dilatancia, teniendo en cuenta la siguiente correlación: Figura 29 Cálculo coeficiente de Poisson Donde: Á Á ó El coeficiente de Poisson no se logró obtener debido al poco número de fotografías al inicio del ensayo de compresión triaxial con fotogrametría digital. 12 BOLTON, M.D. The Strength and Dilatancy of Sands. Géotechnique, Vol. 36, No.1,

71 4.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS. A partir de las perforaciones realizadas en el tramo localizado entre las abscisas y Km se realizaron unos perfiles estratigráficos preliminares como se muestran en la Figura 30 para cada sondeo a partir de los cuales se obtuvo el perfil promedio para el tramo en estudio. 71

72 Figura 30 Perfiles preliminares 72

73 A continuación se muestra el perfil promedio del suelo en el tramo objeto de estudio con los parámetros de resistencia y compresibilidad. Figura 31 Perfil promedio tramo en estudio 73

74 En la presente investigación no se pudo obtener los valores del coeficiente de Poisson debido a la imposibilidad de tomar múltiples fotografías en un lapso de tiempo corto al inicio del ensayo de compresión triaxial, esto debido a la falta de una segunda cámara de alta resolución de las mismas características con la que se hizo el ensayo, por lo cual se estimaron dichos coeficientes teóricos según Braja 13. Al comparar los parámetros obtenidos en la presente investigación con los suministrados por el estudio realizado por HMV INGENIEROS se comprobó que se encuentran dentro del rango estipulado en su consultoría y por lo tanto el estudio es representativo para el tramo analizado. Los valores de ángulo de dilatancia varían entre y Los valores del ángulo de fricción encontrados experimentalmente varían para las arcillas entre y y para las arenas entre y La cohesión encontrada para las arcillas varía entre 43.72KN/m 2 y KN/m 2 y para las arenas varía entre KN/m 2 y KN/m 2. El peso unitario húmedo encontrado en los ensayos de laboratorio varía entre 18 KN/m 3 y 20 KN/m Braja M. Das, Mecánica de suelos pag

75 El modulo de Young al 50% (E50) presenta unos valores para las arcillas entre 3000KPa y 6500KPa 75

76 5 CONCLUSIONES Los parámetros encontrados en el presente estudio se encuentran dentro de los rangos expuestos por la firma HMV ingenieros en su estudio de suelos realizado en el año 2006 DISEÑO DE OBRAS DE EXPANSIÓN. DISEÑOS BÁSICOS DEL INTERCEPTOR RÍO BOGOTÁ-FUCHA-TUNJUELO, INFORME GEOTÉCNICO. Se apreció que para una correcta determinación del coeficiente de Poisson es necesario tomar una cantidad considerable de fotografías al inicio del ensayo, de lo contrario no puede ser obtenido, y se debe recurrir a coeficientes teóricos o correlaciones. Al realizar la presente investigación se encontraron los parámetros necesarios para la modelación física y matemática del suelo objeto de estudio. El método de ensayo de compresión triaxial con fotogrametría digital es un procedimiento que sirve para encontrar los parámetros elásticos del suelo natural, su correcta interpretación depende de la experiencia del laboratorista al realizar el ensayo.

77 6 RECOMENDACIONES Sistematizar el ensayo de compresión triaxial ya que se deben tener en cuenta muchas variables como lo son el tiempo, el deformímetro de carga, la deformación vertical y la obtención de fotografías en corto tiempo, puesto que al incorporar un software y hardware que ayuden en estos pasos se tendrá una mayor precisión en el momento de la toma de datos. En la toma de fotografías, se recomienda efectuar la captura de las imágenes con dos cámaras de las mismas características, aumentando la resolución de las mismas para una mejor interpretación fotogramétrica. Si no se poseen las dos cámaras, se puede incorporar un sistema de riel que permita ubicar la cámara en las dos posiciones para la toma de fotografías en el menor lapso de tiempo. En ensayos posteriores de compresión triaxial con fotogrametría digital de rango corto, se sugiere aumentar el número de personas que intervienen en la obtención de datos, pues la rapidez del ensayo implica posibles errores cuando se ejecuta con fotógrafo y anotador.

78 Es necesario aumentar la cantidad de puntos visuales de referencia en ensayos futuros, para mejorar la precisión del procesamiento de imágenes digitales utilizando el software ImageStation, teniendo en cuenta que dichos puntos son esenciales para la orientación relativa del par estereoscópico de fotografías. 78

79 BIBLIOGRAFÍA NIETO, Fernando. TORRES, Camilo. Evaluación del fenómeno de la subsidencia originado por la construcción de micro-túneles en suelos blandos. Primer informe preliminar científico. Bogotá: ULS, p. BISHOP, Alan. HENKEL, D.J. The measurement of soil properties in the triaxial test. 2ed. London: BOLTON, M.D. The Strength and Dilatancy of Sands. Géotechnique, Vol. 36, No.1, pp ARANGO, Antonio. Manual de laboratorio de mecánica de suelos. Medellín BOWLES, Joseph. Manual de Laboratorio de suelos en ingeniería civil. 2ed. Bogotá: IGLESIAS, Celso. Mecánica del suelo. Madrid BUDHU, Muni. Soil Mechanics & Foundations. United States: INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Normas Colombianas para la presentación de tesis de grado (Cuarta

80 Actualización). Bogotá: ICONTEC., p. NTC INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, MINISTERIO DE TRANSPORTE. Normas de ensayo de materiales para carreteras. Bogotá: MIKHAIL, Edward. BETHEL, James. McGLONE, Chris. Introduction to modern photogrammetry. United States: MUIR, David. Geotechnical Modelling. 1ed. London: pp RUIZ, Rosa. Estructura para la presentación escrita de informes del Proyecto Integrador. En: ASESORÍA METODOLÓGICA (1 : 2003: Bogotá) memorias de la primera asesoría metodológica para la presentación de informes del Proyecto Integrador. Bogotá: U.S.B, p. LERMA, Héctor Daniel. Metodología de la investigación. En: LERMA, Héctor Daniel. Metodología de la investigación. Bogotá D.C.: ECOE EDICIONES; p., MARÍN, Natalia. Evaluación de los parámetros elásticos de mezclas artificiales de suelos para modelos del laboratorio GEOLAB. Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería Civil. Bogotá: SCHENK, Toni. Fotogrametría Digital. Vol. 1. España:

81 ANEXOS ANEXO A Registro sondeos realizados

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