El comportamiento mecanico del suelo esta determinado basicamente por dos variables: esfuerzo y deformacion. Donde la deformacion corresponde a la variable independiente, y mientras que el esfuerzo a la variable dependiente. De esta manera, quien determina las caracteristicas mecanicas del suelo, es el nivel de deformacion al que es sometido, sin embargo el problema no es tan sencillo, debido a que los niveles de deformacion alcanzados por la masa de suelo, se deben a los valores de esfuerzo aplicados, lo que lleva a una 'depencia reciproca' o en dos direcciones. No obstante, por mera conveniencia y convencion general, el problema se analiza en una sola direccion 'esfuerzo&deformacion.
De acuerdo a la magnitud de las deformacion alcanzadas, el comportamiento del suelo, suele dividirse en tres etapas o fases: pequeñas, medias y grandes deformaciones. En la literatura tambien aparece una clasificacion como: muy pequeña, pequeña, y grandes deformaciones, la cual es totalmente equivalente. En cada rango de deformacion, las caracteristicas mecanicas del suelo son particulares, con respecto al otro. En un post anterior (ver AQUI), mencione un poco en el primer parrafo, sobre el parametro caracteristico que define cada rango de deformacion. Los valores absolutos correspondientes a cada nivel de deformacion es complicado definir, la razon mas importante es debido a la complejidad del suelo, ademas de las condiciones propias de cada caso.
Este post, es un poquito de mi trabajo de investigacion actual, y esta enfocado principalmente en el estudio de la rigidez en el rango de pequeñas deformaciones. El trabajo de laboratorio incluye la utilizacion de una maquina triaxial equipada con sensores de medicion de deformacion axial (LVDT) y deformacion radial (GAP sensor), para probar muestras inalteradas, a deformaciones del orden de 0.001%. En otro post compartire las generalidades del trabajo, por ahora es suficiente al respecto.
Regresando al tema del post, es de todos conocido que en el rango de pequeñas deformaciones, el suelo se comporta de forma elastica, es decir es totalmente recuperable, cumpliendose a cabalidad la clasica Ley de Hooke (F = KΔx). Debido a esta caracteristica, usualmente en la teoria clasica del diseño de fundaciones los parametros mecanicos del suelo, correspondientes a este rango de deformacion son ignorados, y se usa, en la mayoria de los casos, la resistencia ultima del suelo, como parametro base de diseño. A como mencione anteriormente, el valor exacto que define cada rango es ampliamente debatible, y cuando se trata del nivel al cual el suelo deja de comportarse de forma elastica, es aun mas discutible, sin embargo, se ha aceptado que en la mayoria de los casos, el suelo se comporta de forma lineal hasta un valor de 0.005% de deformacion. A valores de deformacion tan pequeños, es dificil medirlos apropiadamente, debido a que el error de algunos dispositivos de medicion en el laboratorio sobrepasa el valor mismo que se quiere medir, por lo que el valor obtenido es realmente isignificante. Esta es otra de las razones por las que, el estudio del suelo a pequeñas deformaciones no es de comun uso en la practica del diseño en geotecnia, sin embargo, con la introduccion de la computadora (en la decada de los 70) como herramienta de trabajo, sobre todo en las simulaciones numericas (ejemplo, FDM, FEM) de cuestiones ingenieriles, y el diseño de sofisticados sensores de laboratorio altamente precisos, ha sido posible el estudio del suelo a estos niveles de deformacion.
Aunque se ha investigado bastante al respecto (rididez del suelo a pequeñas deformaciones), la informacion disponible hoy en dia, es todavia insuficiente, y queda mucho camino por recorrer, antes de que sea ampliamente utilizado en el diseño de fundaciones; sin embargo, la importancia de la rigidez del suelo en este rango de deformaciones hoy en dia es ampliamente aceptada por la comunidad cientifica.
En general, el parametro mas importante que caracteriza el comportamiento mecanico del suelo a pequeñas deformaciones, es el Modulo de Corte Maximo: Gmax, o tambien conocido como Modulo de Corte Inicial Go. Este valor es importante para una variedad de diseños en geotecnia, por ejemplo:
1) Analisis dinamico del suelo sometido a vibraciones que causan pequeñas deformaciones, tales como: Predecir el comportamiento del suelo y la interaccion del sistema suelo-structura durante sacudidas sismicas, explosiones o vibracion provocada por el transito o maquinas industriales.
2) Situaciones de carga ciclica, tales como aquellas causadas por viento o el movimiento del oleaje continuo.
3) Situaciones de carga estatica, debido a la degradacion que provocan en el suelo de fundacion, lo cual altera el valor de rigidez del suelo en el tiempo,
En todos los casos mencionados, el problema de estudio es 'evaluar como el modulo de corte se reduce a medida que aumenta la deformacion de corte del suelo', y de ahi la curva caracteristica, Modulo de Corte & Deformacion de Corte (Figura 1)
Figura 1. Reduccion del Modulo de Corte con el incremento de las deformaciones de corte (Ali Zomorodian, 2003)
De igual forma Gmax, puede ser correlacionado con varios parametros de suelo, tales como densidad, coeficiente de reaccion, factor de alteracion de muestras 'inalteradas'.
Existen varias formas para determinar el valor de Gmax, tanto en laboratorio como en campo. En laboratorio, la mas popular es el uso de la maquina triaxial y someter la muestra a cargas ciclicas en condicion no drenada. Recientemente el uso de 'Bender Elements', esta ganando terreno, principalmente por la facilidad, tanto de ejecucion de la prueba como del analisis de los datos que se obtienen. Con respecto a las pruebas de campo, relacionadas principalmente a metodos sismicos, con varias variantes: Refraccion sismica, Borehole, Downhole, Ondas Superficiales, entre otroas. En la mayoria de los casos el procedimiento consiste en determinar la densidad del suelo, y la velocidad de onda de corte, luego a traves de la conocida formula Gmax=ro*Vs*Vs (ro, densidad; Vs, velocidad de corte), el valor de Gmax es conocido.
En este blog, hay un par de trabajos que he compartido, donde se han utilizado algunos de estos metodos, por ejemplo:
Clasificacion dinamica de suelos usando metodos geofisicos, que fue mi tesis para la licenciatura, una combinacion de varios metodos de geofisca (sismica de refraccion, electrica) y geotecnia (SPT), dio algunos resultados muy bonitos.
Efecto de geología superficial (considerando comportamiento no lineal del subsuelo) en movimientos sísmicos en el área urbana de Managua, mi trabajo de tesis para la maestria. Con informacion basica de geotecnia de sondeos de SPT y perfiles de velocidad de ondas S, obtenidas usando el metodo de Analisis Multicanal de Ondas Superficiales, en la ciudad de Managua se hizo una simulacion numerica, por medio del codigo EERA
Ahora la idea es como utilizar de una mejor forma los parametros del suelo obtenidos en el rango de pequeñas deformaciones en la practica del diseño de fundaciones, de tal manera que sea practico y efectivo, quizas en el doctorado se contribuye a la causa, en Marte podriamos aplicarlo en el diseño de las edificaciones extraterrestres.
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