Caracas 2008

CARACTERIZACIÓN de SUELOS J. C Santamarina Georgia Tech

G. Narsilio U. Melbourne

Breve Historia Egipcios (2700 AC): fricción Mesopotamia (2300 AC): contracción (shrinkage) Arquímedes (287-212 AC): flotación, empuje hidrostático Coulomb (1736-1806): fricción Laplace - Bernoulli (s. XVIII): flujo Darcy (1850's): permeabilidad Rankine (1860’s): manual Ing. Civil Hertz (1880's): teoría de contactos Reynold (1880's): dilatancia Atterberg (1908): clasificación Gouy y Chapman (1910's): capa doble Terzaghi (1920's): consolidación, resistencia al corte, esfuerzos efectivos Terzaghi (1925): "Erdbaumechanik“ Goldschmidt (1926): origen de plasticidad en arcillas

1

"… Coulomb ignoró la esencia granular de las arenas … Tal metodología es útil como hipótesis de trabajo … pero … es un obstáculo contra futuros adelantos. Hay que .. empezar de nuevo partiendo de la observación elemental que las arenas consisten de granos individuales" Terzaghi (1920)

fluido

único

mezcla

partículas

mineral

tamaño

forma

Cargas Doble capa Capilaridad

Fuerzas Superficie esp. Tamaño relativo

Esfericidad Redondez Aspereza

suelo conducción difusión acoplamiento energético

microorganismos

rigidez límites de deform. ….

Fábrica suelos finos Ensamblaje suelos gruesos Partículas aplanadas

resistencia variabilidad escalas ….

reología diagénesis ….

2

1920’s :

Clasificación de suelos

(entendimiento fundamental 1990’s)

Cu>4, 1≤Cc≤3

GW

de lo contrario …

GP

Debajo línea 'A'

GM

Encima línea 'A'

GC

Cu>6, 1≤Cc≤3

SW

de lo contrario …

SP

Debajo línea 'A'

SM

Encima línea 'A'

SC

< 5% finos Grava: GRUESO

> 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4 > 50% < 5% finos

retenido tamiz #200

Arena: < 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

ML

FINO

LL50

índice plástico

60 50

lí

a ne

’ ‘A

CL

40 CH

30 20 10 0

CL CL CL-ML ML

OH o MH

OL o ML

OL MH CH

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

limite líquido

OH

3

Cu>4, 1≤Cc≤3

GW

de lo contrario …

GP

Debajo línea 'A'

GM

Encima línea 'A'

GC

Cu>6, 1≤Cc≤3

SW

de lo contrario …

SP

Debajo línea 'A'

SM

Encima línea 'A'

SC

< 5% finos Grava:

GRUESO

> 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

> 50% < 5% finos

retenido tamiz #200

Arena: < 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

ML

60

FINO

< 50% retenido tamiz #200

LL>50

índice plástico

50 LL4, 1≤Cc≤3

GW

de lo contrario …

GP

Debajo línea 'A'

GM

Encima línea 'A'

GC

Cu>6, 1≤Cc≤3

SW

de lo contrario …

SP

Debajo línea 'A'

SM

Encima línea 'A'

SC

< 5% finos Grava: GRUESO > 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4 > 50% retenido < 5% finos

tamiz #200 Arena: < 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

ML

FINO LL50

índice plástico

60 50

lín

’ ‘A

CL

40 CH

30 20 10 0

CL CL CL-ML ML

OH o MH

OL o ML

OL MH CH

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

limite líquido

Agua

ea

OH

+ sal =

NaCl

5

Suelo húmedo = mineral + fluido intersticial

Laponite 1200 H2O 24 Na+ N. Skipper (UCL)

Superficie específica [m2/g]

Tamaño y superficie 104

max para todo mineral montmorillonita

102

illita

caolinita

1

10-2

harina de Si

Se =

1μm

Ottawa 20-40

~6 Lmin ρ

10-4 nm

μm

mm

Tamaño partícula Lmin

6

Cu>4, 1≤Cc≤3

GW

de lo contrario …

GP

Debajo línea 'A'

GM

Encima línea 'A'

GC

Cu>6, 1≤Cc≤3

SW

de lo contrario …

SP

Debajo línea 'A'

SM

Encima línea 'A'

SC

< 5% finos Grava: GRUESO

> 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4 > 50% < 5% finos

retenido tamiz #200

Arena: < 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

ML

60 50 LL50

lín

ea

’ ‘A

CL

40 CH

OL

30 20 10 0

CL CL CL-ML ML

OH o MH

MH

OL o ML

CH

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 OH

limite líquido

porosidad, n

Partículas gruesas: tamaño relativo

D/d=2 0.36 0.32 0.28

D/d=10

0.24

(Guyon et al., 1987)

0

20

40

60

80

100%

fracción (vol.) partículas pequeñas

7

Filtros – “Puentes”

D/d=2.4

pass

clog

MICA BOLILLAS VIDRIO ARENA

clog

pass

clog

pass

2 3 4 5 5 6 7 8 9 10 D/d=6.5

Tamaño de poro / dfinos

Cu>4, 1≤Cc≤3

GW

de lo contrario …

GP

Debajo línea 'A'

GM

Encima línea 'A'

GC

Cu>6, 1≤Cc≤3

SW

de lo contrario …

SP

Debajo línea 'A'

SM

Encima línea 'A'

SC

< 5% finos Grava: GRUESO

> 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4 > 50% < 5% finos

retenido tamiz #200

Arena: < 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

ML

60 FINO

LL50

índice plástico

50

lí

a ne

’ ‘A

CL

40 CH

30 20 10 0

CL CL CL-ML ML

OH o MH

OL o ML

OL MH CH

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

limite líquido

OH

8

Estructura

finos 10-15%

finos ~10-15%

Cu>4, 1≤Cc≤3

GW

de lo contrario …

GP

Debajo línea 'A'

GM

Encima línea 'A'

GC

Cu>6, 1≤Cc≤3

SW

de lo contrario …

SP

Debajo línea 'A'

SM

Encima línea 'A'

SC

Empaquetado

< 5% finos Grava: GRUESO > 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

Finos en poros

> 50% retenido < 5% finos

tamiz #200

Empaquetado

Arena: < 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4

Finos en poros

Fuerzas ML

60 FINO Baja Plasticidad < 50% retenido

Superficie & Doble capa

tamiz #200 Alta Plasticidad

índice plástico

50

lí

a ne

’ ‘A

CL

40 CH

30 20 10 0

CL CL CL-ML ML

OH o MH

OL o ML

OL Fábrica MH CH

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

limite líquido

OH

9

Información adicional para caracterización

pH y concentración iónica

énfasis: suelos de grano fino

10

Agua Concentración Iónica

pH= 7

ácido

H+

HCl

básico

OH-

NaOH

Minerales caolinita

montmorillonita

OH-

Al octahedra

O=

Si tetrahedra

Si tetra Al octa Si tetra

MDL / www.soils.wisc.edu/virtual_museum/index.html

11

Mapa de fábrica - Caolinita

pH

Disolución de silice - coagulación (pH>8) defloculadodisperso

Edge IEP, pH≈7.2

Face or Particle IEP pH≈4

No repulsión global - vdw deflocculateddispersed Dissolución de partículas - liberación de Al3+ - coagulación (pH4, 1≤Cc≤3

GW

de lo contrario …

GP

Debajo línea 'A'

GM

Encima línea 'A'

GC

Cu>6, 1≤Cc≤3

SW

de lo contrario …

SP

Debajo línea 'A'

SM

Encima línea 'A'

SC

Forma

< 5% finos Grava: GRUESO > 50% retenido

Se, c, pH

> 12% finos

tamiz #4 > 50%

Tamiz #4

retenido

Forma

< 5% finos

tamiz #200 Arena: < 50% retenido

> 12% finos

tamiz #4 Tamiz #200

ML

60 FINO

< 50%

LL & LP

retenido tamiz #200 Alta Plasticidad

plasticity index

50 Baja Plasticidad

lín

ea

’ ‘A

CL

40 CH

30 20 10 0

CL CL CL-ML ML

OH o MH

OL o ML

Se, c, pH OL MH CH

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

liquid limit

OH

La historia continúa…

17

1960’s (+):

Suelos no saturados

Fuerza capilar

BBC News In pictures Visions of Science.jpg

18

Fuerza capilar

BBC News In pictures Visions of Science.jpg

1 mm

19

Des-saturación Î Invasión de aire

r

secado

USGS - http://esw.agiweb.org

20

1960’s (+):

Estado Crítico

Procedimiento simplificado p/ suelos arenosos

21

1960’s: Cargas no-drenadas - Licuefacción • Kawagishi-cho apt. (Nigata, 1964)

Karl V. Steinbrugge Collection

1940’s: Grandes deformaciones

τ

σ'

e

22

1940’s: Grandes deformaciones

q

M CSL

p'

e

Determinación de ecs vs. σ,o

vacío

0

23

Determinación de Φcs

> 60 °

φec

1

2

3

Φcs

1990’s (+):

Variabilidad espacial de las muestras

24

Variabilidad espacial - Campo

(Schneider and Mayne, 2000)

Sonda eléctrica

Vista superior Conductor externo Conductor interno Material dieléctrico

Corte lateral

Φe ~ 2,1

λ ~ 3,1

Φi ~ 0,3 t ~ 0,25

Dimensiones en mm.

25

0

0

-1

-1

-2

-2

-3

-3

-4

-4

Depth [cm] Profundidad [cm]

Depth [cm] Profundidad [cm]

Arcilla estratificada

-5 -6

-6

-7

-7

-8

-8

-9

-9 -10

-10

2

2 4 6 8 Resistance ] Resistencia[kΩ [kΩ]

Rayos X

-5

Fotografía

4

6

8

Resistance [kΩ] [kΩ ] Resistencia

Mediciones con sonda eléctrica

Módulo de compresión 1.0 COV [α]=0.1 L/D=0.2

COV [α]=0.3 L/D=0.2

/Mhomo hetero/M MMhetero hom o

0.9

0.8

COV [α]=0.5 L/D=0.2 (Dotted: L/D=0.04)

0.7

μ+2σ μ μ-2σ

0.6 0

100

200 300 Applied stress[kPa] Applied vertical vertical stress [kPa]

400

500

26

Corte no drenado – Suelo contractivo

e0=0.80~1.00 & L/D=0.1

distribucion de eo

FEM – Modified Cam-Clay – Correlated random eo-field

Corte no drenado – Suelo contractivo Global deviatoric stress [kPa]

250

high

e0=0.8 200

low 150

e0=0.9 100

e0=1.0

50

e0=0.80~1.00 0 0

0.01

0.02

0.03

0.04

Nominal axial strain

0.05

Shear strain distribution

FEM – Modified Cam-Clay – Correlated random eo-field

27

1990’s (+):

Módulo de corte máximo Gmax (Vs)

Degradación del módulo Gmax= Vs2 ρ

γ tl = límite def. lineal

Gmax

γ td = límite def. degradación

Sismos

Módulo de corte G

Pequeña

Media

Grande

0

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

Deformación angular γ [%]

28

Laboratorio: “Bender elements ” Configuración en paralelo

Material Piezoeléctrico V

Material Piezoeléctrico

Configuración en serie

Material Piezoeléctrico V

Material Piezoeléctrico

Anclaje

Montaje en odómetro o celda triaxial Vs =

Generador señales

L Δt

Gmax = ρ ⋅ Vs2

Δt L

Osciloscopio

R

29

Señales - Ejemplo: odómetro Señales medidas 0 1

σ’ aumenta

2 3 4 5

σ’ disminuye

Meausred Signal

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0

100

200

300

400

500

600

700

Time [microsec] Tiempo [mseg]

Gmax: Laboratorio vs. campo - Arena 3.0

Sand; Stokoe's Results - from Stokoe and Santamarina (2000) Alluvial Reclaimed Sandy Soil; Yasuda and Yamaguchi - from Tokimatsu and Uchida (1990) Fine Sand; Yosimi et al. (1989) Dilluvial Sandy Soil; Yasuda and Yamaguchi - from Tokimatsu and Uchida (1990) Sengenyama Sand; Shibuya et al (1996) Ticino Sand; Ghionna - from Crova et al. (1992)

2.5

Vlab / Vf

2.0 1.5

Measurement error

1.0 0.5 Sandy Soils

(a)

0.0 0

200

400

600

800

1000

Vf [m/s]

30

Medición de Campo 0

5

D epth (m )

10

15

20

25

30

JS Lee

0

0.1

0.2 Time

P. Mayne

Rix, Stokoe

Resistencia a la licuación en base a Vs 0.6

Fines Content 35 %

0.4

>35 20