Geotecnia I - Fac. de Ing. U.N.L.P.

Transcripción

1 GEOTECNIA I Investigaciones Geotécnicas Profesor: Ing. Augusto J. Leoni Ejecución de calicatas: Excavación a cielo abierto de aproximadamente 2 m2 de sección en planta Calicata N Perfil resultante Apertura de calicata, perfilaje y extracción de dama (muestra indisturbada) Z 1 Z 2 Dama Z 3 Z 4 Z 5 Ing. Augusto José Leoni 1

2 Esquema de montaje de un ensayo vertical de plato de carga, dentro de una calicata 1 6 1: Perfil doble T anclado en el tereno 2: Gato hidráulico 3: Aro dinamométrico 4: Comparadores centecimales 5: Plato de carga 6: Puntal telescópico B GRAFICO DE RESULTADOS σ kg/cm 2 k 1 Curva tensión - deformación σ 1 σ 1 k1= 0.127cm (kg/cm 3 ) d =0,127 cm = 0,05 d (cm) Ing. Augusto José Leoni 2

3 B 1 B 2.B 1 2. B Tensión = 10%. q PERFORACIONES PARA ESTUDIOS DE SUELOS Esquema de ejecución de una perforación manual con recirculación de lodos para un estudio de suelos. Impulsión Cabeza de inyección Cañería de perforación bomba Aspiración Chupón de la bomba Mecha de perforación cola de pescado Ing. Augusto José Leoni 3

4 HERRAMIENTAS DE PERFORACION MANUAL Barreno de mano Mecha cola de pescado CIRCUITO DEL AGUA DE LAVADO POZO DE DECANTACION Ing. Augusto José Leoni 4

5 ENSAYO DE CAMPO Ensayo normal de penetración: Es el número de golpes necesario para que el sacamuestras normalizado de Terzaghi penetre en el terreno virgen 30 cm cuando a la cañería se la golpea con un martillo de 140 lb (63,5 kg) que se deja hacer desde una altura de 30 pulgadas (76,2 cm) Sacamuestras de Terzaghi 0,45 m MUESTREADOR TERZAGHI Norma ASTM 1586 Ing. Augusto José Leoni 5

6 Ensayo normal de penetración ENP o SPT 45 cm 15 cm 15 cm 15 cm Taco de madera de referencia Sacamuestras de Terzaghi Perforación Antes de la hinca 15 cm 15 cm 15 cm Durante la hinca de los 45 cm, contamos los golpes necesarios hincar cada uno de los 3 intervalos de 15 cm c/u Ing. Augusto José Leoni 6

7 Esquema de golpeo para los ensayos SPT utilizado en Argentina Aparejo para levantar Disparador Acción del operador cuando ve aparecer la muesca que marca la altura de caída de 76,2 cm 76,2 cm 63,5 KG Pisón Guía del disparador Muesca que indica la altura de caída Cabeza de golpeo PROCESO DE HINCA Ing. Augusto José Leoni 7

8 RECUPERACION DE MUESTRAS Flejes para retención de muestras arenosas ó fluidas Ing. Augusto José Leoni 8

9 ENCUADRE DE LOS SUELOS FINOS EN FUNCIÓN DE LOS RESULTADOS DEL SPT Compacidad relativa Arcillas Muy Blanda Blanda Median. Compacta Compacta Muy Compacta Dura Valores del SPT < 2 2 y 4 4 a 8 8 a a 30 > 30 Compresión Simple (kg/cm²) < 0,25 0,25 a 0,50 0,50 a 1,00 1,00 a 2,00 2,00 a 4,00 > 4,00 Relaciones aproximadas y orientativas para los suelo de la región Donde X toma valores entre 15 a 20 y c u se expresa en kg/cm² N c u = φ o u = 2 + 0,66. N X qu (kg/cm²) Es Ks1 3 qu 2 Ks1 (kg/cm³) qu=1 Ks1=1 N=1 N ( SPT ) Es (kg/cm²) E= Ing. Augusto José Leoni 9

10 Sondeo 1 Ubicación: Calle 57 entre 6 y 7 - La Plata. Napa: - Nro Prof. Descripción del Suelo E.N.P. Clasif. Wn, Wl, Wp, Ip, Granulometría Fricc. Cohes. γ d Representación de los resultados de un estudio de suelos 1 0,72 Limo arcilloso castaño ML [ ] [Kg/cm²] [g/cm³] 2 1,22 con escombro ML 3 2,22 ML 4 3,22 Limoso castaño con nódulos ML 5 4,22 Limo arcilloso ML 9 0,48 1,47 6 5,22 castaño ML 7 6,22 ML 8 7,22 ML 17 1,20 1,50 9 8,22 Limoso castaño ML > ,22 con nódulos compactos y tosquillas ML 11 10,22 ML Humedad Natural Límite Plástico Límite Líquido Indice Plasticidad E.N.P. Pasa tamiz 4 Pasa tamiz 10 Pasa tamiz 40 Pasa tamiz 100 Pasa tamiz 200 Densidad in situ en suelos granulares En la mecánica de suelos, las propiedades mecánicas de los suelos granulares se refieren siempre a su densidad. Este valor luego es relacionado con la densidad máxima y mínima del mismo suelo para obtener el valor de la Densidad Relativa Dr (%) Anillo de Oroville Ing. Augusto José Leoni 10

11 Densidad in situ en suelos granulares Volumen Vi Volumen = Vf - Vi Ws= Wh 1+ w ) ( n Manta de latex Wh w n γ d= Ws V Volumen Vf Densidad mínima en suelos granulares La densidad mínima que puede tener un suelo granular se refiere al estado más suelto que ese suelo puede adoptar, se determina en el laboratorio mediante un ensayo. El mismo consiste en volcar al suelo en estado seco, en un recipiente de volumen conocido a través de un embudo, desde una altura constante y luego de llenarlo calcular la densidad haciendo γ d ( mín ) = Ws V Ws V Se vuelca la arena Se llena el recipiente Se enrasa y se pesa el material Ing. Augusto José Leoni 11

12 Densidad máxima en suelos granulares La densidad máxima que puede tener un suelo granular se refiere al estado denso que ese suelo puede adoptar, se determina en el laboratorio mediante un ensayo, donde se trata por todos los medios de colocar en un recipiente de volumen conocido, la mayor cantidad de suelo. Para ello se coloca el recipiente sobre una mesa vibrante, y se le adiciona suelo y agua en su interior al mismo tiempo que con una varilla metálica se lo acomoda para permitir una mayor densificación de su masa. Una ves que el recipiente se llena, se le colocan pesas para transmitirle una tensión establecida por norma y se lo deja en la mesa vibrante hasta que no ingrese más suelo en el recipiente. Posteriormente se retira todo el suelo y se lo seca a estufa para luego calcular la densidad máxima γ d ( máx ) = Ws V Ws V Se vuelca el suelo granular con agua sobre la mesa vibrante Se llena el recipiente con suelo y agua sobre la mesa vibrante mientras se lo varilla Se le colocan pesas para lograr una mayor densificación, luego se enrasa y se pesa el material CALCULO DE LA DENSIDAD Y DE LA DENSIDAD RELATIVA Dr % e e = ( e e màx mìn mín ).100 e = Relación de vacíos natural γ Dr(%) = γ d máx γ γ mín mín γ γ máx d.100 γ d = Densidad natural Ing. Augusto José Leoni 12

13 Consideraciones especiales a tener en cuenta al momento de valorar los resultados del SPT Suelos Arcillosos Suelos granulares E E E = Cte E = f(z) z La rigidez del suelo se mantiene constante con la profundidad o lo que es lo mismo con los niveles de tensiones que le induce la tapada z La rigidez de un suelo granular aumenta con la profundidad o lo que es lo mismo con los niveles de tensiones que le induce la tapada Consideraciones especiales a tener en cuenta al momento de valorar los resultados del SPT en suelos granulares Suelos granulares E = f(z) E Los valores del SPT en suelos granulares dependen por lo tanto de la presión de la tapada existente al nivel donde se realiza el ensayo. Ello implica que para poder relacionar valores del SPT a distintos niveles tendremos que corregir los resultados teniendo en cuenta la presión vertical existente en cada nivel. z La rigidez de un suelo granular aumenta con la profundidad o lo que es lo mismo con los niveles de tensiones que le induce la tapada Ing. Augusto José Leoni 13

14 Corrección de los valores del SPT teniendo en cuenta la presión de la tapada en suelos granulares. El factor de corrección tiene en cuenta la presión de la tapada al nivel donde se ejecuta el ensayo e intenta corregirlo con un valor que se obtendría con un nivel que tenga una tapada que genere una presión vertical efectiva de 1 kg/cm 2 Factor de Corrección "Nc" Liao- Whitman Meyerhof- Ishihara Schmertmann Skempton C N C N C N C N = 1 σ, o 1,7 = 0,7+ σ o 32,5 = 10,2+ 20,3. σ 2 = 1+σ Presión de la tapada (kg/cm²) o o (8) (9) (10) (11) (8) (9) (10) (11) Supongamos que tenemos un manto de arena de 25 m de espesor con una densidad de 2 tn/m 3 que al nivel de -1,25 m tiene un valor de SPT = 5 podemos hacer: σ o = 2 tn/m 3. 1,25 m = 2,50 tn/m 2 = 0,25 kg/cm 2 C N = 2 C N = 1 σ, o Nc = C N. SPT Nc = 2. 5 = 10 Si hacemos otro ensayo al nivel de los -20 m y obtenemos un valor de SPT = 20 al corregirlo observamos lo siguiente: σ o = 2 tn/m m = 40 tn/m 2 = 4 kg/cm 2 C N = 0,5 C N = 1 σ, o Nc = 0,5. 20 = 10 Esto quiere decir que la arena que se ubica al metro de profundidad, con un SPT = 5 tiene la misma densidad relativa que la arena ubicada a -20 m que da un SPT = 20, las dos tienen una densidad relativa correspondiente a la de las arenas MEDIANAMENTE DENSAS Ing. Augusto José Leoni 14

15 ENERGIA SUMINISTRADA EN EL ENSAYO SPT Con disparador Con reenvío Con malacate N = 1 1 f ( E 1 ) N 1 E1= N 2 E2 N 1 = N 2 E 2 E 1 ENSAYO SPT EN SUELOS GRANULARES N corr. = N x C N x C E x C R N = Valor obtenido en el Ensayo Normal de Penetración (SPT) en el ensayo C N = Factor de corrección por la presión de la tapada o por la profundidad del ensayo C E = Factor de corrección por la energía entregada por el martillo (0,45 η 1 1) C R = Factor de corrección por el diámetro de la perforación (>1 φ = 5 ; = 1 φ = 3 ) Ing. Augusto José Leoni 15

16 ENSAYO SPT Y DENSIDAD RELATIVA (suelos granulares) Valores de Nc Descripción Muy Suelta Suelta Med. densa Densa Muy Densa Dr (%) 0 a a a a a 100 Arena fina > 30 Arena media > 40 Arena gruesa > 45 ENSAYO SPT Y DENSIDAD RELATIVA 100. N Dr(%) = 23+ 0,716. N 2 (1) Dr(%) = 11,7 + 0, N σ ov 50. Cu (2) Densidad relativa - SPT 100 Densidad relativa (%) Ensayo SPT Donde en la fórmula (2) el valor de σ ov se expresa en Libras sobre pulgadas cuadradas (lb/in 2 ) y Cu representa el valor del Coeficiente de Uniformidad del suelo granular Cu = D 60 /D 10. Fórmula N 1 Fórmula N 2 Ing. Augusto José Leoni 16

17 ENSAYO DE SPT Y ANGULO DE FRICCION INTERNA φ = 20 + (0,45. Nc) (Peck) φ = 28,5 + (0,40. Nc) (Kishida) φ = Nc (Hatanaka Uchida) φ = ,4.Nc (Muromachi 1974) φ = ,5.Nc (Schmertmann) (Peck Hanson Thornburn) (Japan National Railway) Nc φ = Arc tan 27 0,34 Nc ( ) = 39 φ 26,25 2 e φ = 27 + (0,30. Nc) (Japan Road Boreau) φ = 15 + (15.Nc ENSAYO DE SPT Y ANGULO DE FRICCION INTERNA EN SUELOS GRANULARES Angulo ( ) Ensayo SPT corregido "Nc" Ing. Augusto José Leoni 17

18 ENSAYO SPT Y MODULO DE DEFORMACION Arenas finas con limos Es = 5,3.N Es = 4,9.N Arenas finas limpias Es = 6,5. (N ) Es = 7,8.N 70 Arenas gruesas Es = 7,7.N ) Es = 80. N 70 Módulo de Deformación Es (kg/cm²) Número de golpes "SPT" Arenas gruesas Arenas finas Módulo de Young inicial en suelos granulares Scheiding 1931 Ei Pc = C.( ) n. Pa Pa Donde: C y n son valores que dependen de la densidad relativa de la arena Dr Arenas densas Para σ o = 1 kg/cm² C = kg/cm² n = 0,33 Arenas sueltas Para σ o = 1 kg/cm² C = 100 kg/cm² n = 1 Donde σ o representa la presión de octaédrica = z. γ.(1+ 2.ko)/3 Para cualquier otro valor de σ o en función del SPT corregido n = 1,1 0,4. Log( Nc) Nc C = 0,5 0, N Ing. Augusto José Leoni 18

19 Scheiding Relación entre el Modulo tangente inicial y la presión ejercida Módulo tangente inicial Presión (kg/cm2) Arena densa Arena suelta Módulo de deformación tangente inicial en arcillas en función de q u (q u = resistencia a la compresión simple) Ei = (100 a 250) x q u Ei = (350 a 600) x q u Ei = (750 a 1.000) x q u Arcillas normalmente consolidadas, sensitivas Arcillas normalmente consolidadas o ligeramente sobre consolidadas, insensitiva Arcillas sobre consolidadas Ing. Augusto José Leoni 19

20 ENSAYO DE SPT Y MODULO DE BALASTO VERTICAL Para Suelos Granulares 4,3 kv 1= ( Nc.0,04) + Nc ,7 kv 1= ( Nc.0,04) + Nc.0,12 Arenas secas o húmedas Arenas sumergidas Coeficiente Kv1 (kg/cm3) Ensayo de penetración Nc (SPT) Arenas secas o húmedas Arenas saturadas DENSIDAD RELATIVA Y ANGULO DE FRICCION (Giuliani Nicoll) (Meyerhof 1956) (Arenas con > 5% de suelos finos) (Meyerhof 1956) (Arenas con < 5% de suelos finos) Dr% φ = ,12 Dr(%) φ = Arc tan 0, φ = Dr(%) φ = Dr(%) 0,866 Ing. Augusto José Leoni 20

21 DENSIDAD RELATIVA Y ANGULO DE FRICCION Angulo de fricción ( ) Densidad relativa (%) Sacamuestras de Zapatas Intercambiables de Moreto (Raymond) Ar % = (De² Di²) / Di² Terzaghi Ar = 93 % Raymond Ar = 58 % Shelby (3 ) Ar = 10 % Ing. Augusto José Leoni 21

22 OBTENCION DE MUESTRAS INDISTURBADAS DE PERFORACIONES Sacamuestras Shelby Presión estática, sin golpes, en forma manual o con gatos hidráulicos Suelos arcillosos blandos a medianamente compactos 0 < N < 6 SACAMUESTRAS ROTATIVOS Ing. Augusto José Leoni 22

23 Corona de corte rotativa y Zapata de corte SACAMUESTRAS DENISON Y MUESTRA Ing. Augusto José Leoni 23

24 Muestras Denison de suelos arcillosos de 4 de diámetro Muestra Denison de suelo limoso con arena Ing. Augusto José Leoni 24

25 Muestra de suelo preconsolidado y fisurado de la Fm. Pampeano MUESTRA ORIGINAL COLOCADA EN EL TALLADOR PARA PREPARAR UNA PROBETA Ing. Augusto José Leoni 25

26 PROCESO DE TALLADO DE LA MUESTRA PROBETA TERMINADA Ing. Augusto José Leoni 26

27 ENSAYO DE LA VELETA DE CORTE O DE VANE TEST CONEXIÓN DE LA VELETA CON LA CAJA DE REGISTRO Ing. Augusto José Leoni 27

28 CAJA DE REGISTRO Velocidad de giro de la manivela a 1rev/seg que asegura un giro de la veleta de 6 /min VELETA DE CORTE VANE TEST H D Cu = π d 2 Tmáx H + 0,167 d 2 Como en el caso que estamos mencionando se utilizaron veletas de corte donde H/d = 2 T Cu = 0,273 d máx 3 Ing. Augusto José Leoni 28

29 RESULTADOS DE MAYNE Y MITCHELL: Para arcillas normalmente consolidadas p= 4,77.( c u ) medido 0,83 p Pc (tn/m (tn/m²) 2 ) Cu medida (tn/m²) Donde los valores de p c y c u se expresan en tn/m 2 Skempton (1957) c u = 0,11 + 0,0037. Ip p MEDICIONES DE CAMPO: Traza del Emisario de As. As en el Río de La Plata Arcillas de origen marino, en el lecho del Río de La Plata 0 Profundidad (m) Cu = 0,018. z+ (Cu en kg/cm 2 ) z en metros 0, Cohesión (kg/cm²) Ing. Augusto José Leoni 29

30 Determinaciones con el ensayo del Piezocono Parámetros determinados con el Piezocono Punta Ing. Augusto José Leoni 30

31 Determinación de la velocidad de la onda corte en suelos Crosshole osciloscopio Bomba t V s = X t Martillo de profundidad Geofono receptor Profundidad de ensayo Packer inflable tren de ondas Packer inflable Sondeo emisor x Sondeo receptor Determinación de la velocidad de la onda corte en suelos Downhole osciloscopio t ( Z1) ( Z2 ) Bomba Plancha horizontal con una carga dinámica vertical x Z2 Z1 Tren de onda R = R - R 1 2 R = Z + X Manto a Ensayar Geofonos receptores R = Z + X 2 2 V s = R t 2 2 Packer inflable Sondeo único Ing. Augusto José Leoni 31

32 Ensayo Dilatométrico de Marchetti Dilatómetro de Marchetti Ing. Augusto José Leoni 32

33 Dilatómetro de Marchetti Po = Presión necesaria para un desplazamiento nulo de la membrana P 1 = Presión necesaria para un desplazamiento de la membrana de 1,1 mm en el centro uo = Presión hidroastática al nivel del ensayo P = P 1 - Po I D = Indice del material K D = Indice de empuje horizontal Ko = (K D / 1,5) 0,47 0,6 I D K D P = ( Po uo) Po uo = σ vo' E D = Módulo dilatométrico = 34,7. P) OCR = (0,5. K D ) 1,56 c u = 0,22. σ v0 (0,5.K D ) 1,25 Comparación entre Cu determinada a través de DMT y de otros ensayos Ing. Augusto José Leoni 33

34 EQUIPO DE MENARD ESQUEMA DE LA MONOCELDA ORIGINAL DE MENARD Ing. Augusto José Leoni 34

35 ESQUEMA DE EXPANSION DE LA SONDA DE TRES CELDAS DE MENARD EXPANSION DE LA CELDA CENTRAL O DE CARGA PRICIPIOS BASICOS DEL ENSAYO DE PRESIOMETRIA Ing. Augusto José Leoni 35

36 FACTORES DE CORRECCION QUE INTERVIENEN EN EL ENSAYO CORRECCION POR RESISTENCIA A LA EXPANSIÓN DE LA SONDA CORRECCION POR DEFORMACION DE LOS CIRCUITOS HIDRAULICOS DEL EQUIPO Ing. Augusto José Leoni 36

37 REGULACION DE LAS DIFERENCIA ENTRE LAS PRESIONES DEL AGUA Y DEL GAS REGISTROS DE PERAMETROS Volumen (cm 3 ) Vf Vm Vc Rango elástico P V Presión (bar) Pc Pm Pf P L Ing. Augusto José Leoni 37

38 GRAFICO TIPICO DE EN ENSAYO DE PRESIOMETRÍA Interpretación del ensayo de Presiometría P L E Vo v Ing. Augusto José Leoni 38

39 Esquema de un Presiómetro autoperforador de Cambridge (Self Boring Pressuremeter) Presiómetro auto perforador de Cambridge Ing. Augusto José Leoni 39

40 Diseño de plataformas de trabajo para investigaciones bajo carga de agua Plataforma marina transportable y de apoyo fijo Ing. Augusto José Leoni 40

41 Vibracore para extracción de nuestras continuas de 6,00 m de longitud y de 2 de diámetro Ing. Augusto José Leoni 41

42 Ing. Augusto José Leoni 42

43 Sacamuestras de barros (Contaminación) Ing. Augusto José Leoni 43

44 Sacamuestras de barros de sección cuadrada con vaina interna de polietileno para barros contaminados Extracción de muestras de barro del lecho de un río Ing. Augusto José Leoni 44

45 Muestra obtenida de barros contaminados con hidrocarburos. Es importante observar la poca consistencia de la muestra y la dificultad que ello representa a la hora de obtener una muestra Ing. Augusto José Leoni 45