DINÁMICA DE SUELOS

07 Abril, 2016

UNIVERSIDAD SAN IGNACIO DE LOYOLAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

Luis Miguel Cañabi Quispe

Problemas Estáticos

parqueo de

Temporales y

inducidapor oleajeCarga

(Segundos)

10

10

410

5

310

210

1.0

Terremoto

Cargas deTráfico

Cimentaciónde máquinas

Compactaciónpor pilotes

vehículos

Carga de

Problemas Dinámicos

Tiempo de Carga

VoladurasBombas

10-310 -2 10 -1

1.0(Minutos)

101.0 21021010

Permanente

Estructura

10 3 10 4

Fatig

aV

ibra

ción

Núm

ero

de C

iclo

s

Clasificación de los problemas dinámicosIshihara (1996)

MediciónIn-situ

torioLabora-

Medición

Velocidad de CargaEfecto deRepetición de CargaEfecto de

Fenómenos

Deformación Cortante

Constantes

MecánicasCaracterísticas

Deslizamiento,Fisuramiento,

Módulo cortante, relación dePoisson, amortiguamiento

resonanteColumna

carga repetida

Ensayo de carga

SísmicosMétodos

Ensayo de

Ensayo de vibración In-situ

Vibración

Elástico Elásto - Plástico

Asentamiento Diferencial

Falla

Licuación

Magnitud de la -610 10-5 10-4 10-3 10-2 -110

Angulo de fricción interna,Cohesión

Propagación de ondas,

Propagación deondas

en el

repetida

Variación de las propiedades del suelocon la deformación cortante

Ishihara (1996)

Método deMétodoMétodoMétodo de Lineal Equivalente

la respuestaanálisis de Lineal Paso a Paso

Integración

Efecto de Velo-cidad de carga

tición de CargaEfecto de Repe-

Elásto-Plástico

10

Lineal ElásticoModelo

Falla

Modelo

10Cortante

Elástico

10-6 -5

ModeloVisco Elástico

Modelo tipo

-4 10-3 -210 -110Deformación

DeformaciónPequeña

DeformaciónMediana

DeformaciónGrande

de FallaDeformación

Historia de Carga

Modelamiento del suelo en función de losniveles de deformación

Ishihara (1996)

1 MODELO LINEAL VISCOELASTICO-NATURALEZA HISTERETICA DE LA CURVAESFUERZO-DEFORMACION-MODELO KELVIN-MODELO MAXWELL-

MODELOS ESFUERZO-DEFORMACION

1τ

G

τ

2τ

G´

γτ

G´ γ 2

G γ 1

Modelos viscoelásticos típicos

b) Modelo Maxwella) Modelo Kelvin

F

x

Fm

F, x

Fm

Fuerza y desplazamiento durante carga cíclica

δ/

t

K sec δ

Relaciones HisteréticasEsfuerzo-Deformación

Esfuerzo G1 G21 1

γ2

γ1

Deformación

Capacidad de Amortiguamiento

x

F

EnergíaPerdida E

Almacenada EEnergía

∆ E∆E

ψ =

-0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0.0020 0.004 0.006

CurvaExperimental

Visco ElásticaCurva

Teórica

γ

-1000

- 500

0

500

1000

τ

γW

W∆τ

(din

as/c

m

)2

Lazo histerético para deformación armónica oscilatoria.

Definición de amortiguamientoModelo No Lineal

Descarga

Recarga

Pérdida asociada a amortiguamiento

Deformación de Referencia

Modelo Hiperbólico

Módulo de corte y amortiguamiento

Módulo Cortante para Arenas (Seed e Idriss, 1970)

75%

Deformación Cortante ( % )

80

70

60

50

40

30

20

10

010 -4 10 -3 10 -2 10 -1 1

K2

G=1000 K ( ' ) psfσ 1/22 m90%Dr

D r

D r 45%

D r 60%

D r 40%D r 30%

Módulo Cortante de Arenas(Seed e Idriss, 1970)

Rango de valores

Deformación Cortante, (%)γ

10-4 10-3 10-2 10-1 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Mod

ulo

cort

ante

ade

f.co

rtan

teM

odul

oco

rtan

tem

áxim

o

γ

Módulo Cortante para ArenasSeed & Idriss, 1970

Módulo Cortante para ArenasDr=75 y 40%

Amortiguamiento en Arenas

Amortiguamiento en ArenasInfluencia del Confinamiento

10-310-4 10-2 -1100

4

8

12

16

20

24

28

Raz

ónde

Am

ortig

uam

ient

o(%

)

Weissman and Hart (1961)Hardin (1965)Drnevich, Hall and Richart (1966)Matsushita, Kishida and Kyo (1967)Silver and Seed (1969)Donovan (1969)Hardin and Drnevich (1970)Kishida and Takano (1970)

Amortiguamiento de Arenas(Seed e Idriss, 1970)

1

Deformación Cortante, (%)γ

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

G/G

max

Modulo Cortante de Suelos Cohesivos(Vucetic y Dobry, 1991)

Deformación Cortante Cíclica (%)

OCR=1-15

015 30 50100

IP=200

OCR = 1-8

15

IP=0

30

50

100

200

100.0001 0.010.001 10.10

5

10

15

20

25

Raz

ónde

Am

ortig

uam

ient

o(%

)

Amortiguamiento de Suelos Cohesivos(Vucetic y Dobry, 1991)

Deformación Cortante Cíclica (%)

Modulo Cortante de Suelos Cohesivos

Efectos de Sobre-consolidación

Efectos de Plasticidad

Amortiguamiento en Arcillas

Módulo Cortante de Gravas(Seed et. al., 1984)

Rango de valores

10-4 10-3 10-2 10-1 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Deformación Cortante, (%)γ

Mod

ulo

cort

ante

ade

f.co

rtan

teM

odul

oco

rtan

tem

áxim

o

γ

Módulo Cortante de Gravas(Seed et. al., 1984)

Amortiguamiento de Gravas(Seed et al., 1984)

10-310-4 10-2 -110

Datos para gravas y suelos gravosos

10

4

8

12

16

20

24

Valores promedio para arenas

Límite superior e inferior para arenas

Raz

ónde

Am

ortig

uam

ient

o(%

)

Deformación Cortante, (%)γ

MEDICION DE LAS PROPIEDADES DINAMICAS DEL SUELO

Ensayos de Campo

Ensayos a Bajo Nivel de Deformación

Ensayos a Gran Deformación

Ensayos de Laboratorio

Ensayos en Elementos a Baja Deformación

Ensayos en Elementos a Gran Deformación

Ensayos en Modelos

Ensayos con Bajo Nivel de Deformaciones

REFRACCIÓN SÍSMICA

Método consiste en la medición de los tiempos de viaje de ondas de compresión (P), generadas por una fuente de energía impulsiva a unos puntos localizados a distancias predeterminadas a lo largo de un eje sobre la superficie del terreno.

REFRACCIÓN SÍSMICAProfundidad de Investigación

La profundidad de investigación (h) es directamente proporcional a la longitud de la línea extendida (L) en el terreno, con una relación de 1/3 a ¼, las ondas grabagas son producto de refracciones de discontinuidades del medio.

Una condición importante para la aplicación y validez del método es que la velocidad de propagación de las ondas aumente con la profundidad V1<V2<V3……

Ensayo de refracción sísmica, disposición detallada de la conexión de cables a los geófonos, trigger, equipo de

adquisición y amplificador

REFRACCIÓN SÍSMICAAplicaciones

• Ingeniería Civil (fundaciones, puentes, presas, trabajos mediambientales, etc).

• Determinación de macizo rocoso, grado de alteración y competencia de la roca.

• Aplicaciones en el campo de la hidrogeología.

• Prospección en actividades mineras.

• Análisis numéricos.

• Arqueología.

REFRACCIÓN SÍSMICALimitaciones

• Diferentes rocas con semejante velocidad de propagación.

• No detecta estratos de baja potencia.

• La distancia entre sensores controla la preciónconque se puede evaluar el espesor de los estratos.

REFRACCIÓN SÍSMICAImpacto

Unidad de Adquisición y Procesamiento de Datos (Ensamblado final).

Geófono vertical y cable conductor de señales para realizar ensayos de refracción sísmica y ensayos en pozo abierto de poca profundidad

DisparoFrente de

Ondast1t2

t3t4

t5t6t7t8

Xc

Posiciones del Frente de Ondas en un Medio de Dos Estratos a tiempos t1, t2,...

Ley de Snell Cuando la onda sísmica alcanza la frontera

entre dos materiales de distinta velocidad sísmica, las ondas son refractadas.

Cuando el ángulo de incidencia iguala al ángulo crítico en la frontera, la onda refractada se mueve a lo largo de la frontera entre los dos materiales, transmitiendo energía de nuevo a la superficie.

Esta frontera es llamada un refractor.

α

Estrato 1

Velocidad = V1

Velocidad = V2

Estrato 2

Angulo Críticode Incidencia

r

α =

Fuente

i

sen i sen Vosen r sen V1 =

Refracción de Trayectoria de los Rayos a Través de una Frontera entre Dos Medios Elásticos

DIRECTA

V1

V2

i r

REFRACTADA

icic

• Parámetros:

- Tiempo de inicio del movimiento sísmico (tiempo cero)

- Distancia entre el punto de impacto y el sensor

- Primer arribo de energía sísmica que llega a los sensores

Onda Hipotética Registrada por un Geófono en la Superficie de un Medio Elástico Homogéneo a Cierta Distancia de la Fuente

Onda R

Des

plaz

amie

nto Onda S

Tiempo

Onda P

Trazas y Domocromitas

Caso Simple de Dos Estratos con Límites Planos y Paralelos y Carga Tiempo -Distancia Correspondiente

D1 =XC

22V 1V-

V2V + 1

DISTANCIA

TIEM

PO

TIEMPO DEINTERSECCION,

DISTANCIA CRITICA, X C

v1

1

2v1

Ti

DISPARO

E

F G

H

D 1α

SIN = αv1

2v(

1v

2v

t

X

Perfil de Velocidades de Ondas P

Criterios de Análisis (Ensayos de R.S.)

VALORES PROMEDIOS DE Vp SEGÚN LA NORMAASTM-D5777

Descripciónpie/s m/s

Velocidad Vp

Suelo intemperizado

Grava o arena seca

Arena saturada

Arcilla saturada

Agua

Agua de mar

Arenisca

Esquisto, arcilla esquistosa

Tiza

Caliza

Granito

Roca metamórfica

800 a 2000

1500 a 3000

4000 a 6000

3000 a 9000

4700 a 5500

4800 a 5000

6000 a 13000

9000 a 14000

6000 a 13000

7000 a 20000

15000 a 19000

10000 a 23000

240 a 610

460 a 915

1220 a 1830

910 a 2750

1430 a 1665

1460 a 1525

1830 a 3960

2750 a 4270

1830 a 3960

2134 a 6100

4575 a 5800

3050 a 7000

ENSAYO MASW/MAM

ENSAYO MASW/MAM

ENSAYO MASW/MAM

ENSAYO MASW/MAM

Criterios de Análisis (MASW/MAM)

LLEGADA DE LAS ONDAS S

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30Milisegundos

Prof

undi

dad

(m)

Vs = 300 m/s

Vs = 630 m/s

Vs = 655 m/s

Vp = 630 m/s

Vp = 1550 m/s

Vp = 1890 m/s

shot 0105

Estrato Velocidades Poisson Módulo DensidadN° Vp (m/s) Vs (m/s) σ E d (T/m2) Gd (T/m2) (T/m3)1 630 300 0.35 44744.1 16530.6 1.82 1550 630 0.40 238319.0 85050.0 2.13 1890 655 0.43 263252.9 91933.9 2.1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Tiempo de Viaje ( x 10 ) sec.-2

m Tipode

SueloValor de N

10 20

580 210

100140

120

195

150

155msecVs =

1.35 mm

Vp =1300 msec

1890

Owi IslandN°1Tokyo

C2Bay5

10

15

20

Ejemplo de Prospección de velocidades por el método Downhole

Determinación de propiedades dinámicas de losmateriales.

ρ = 0.2 Vp0.25

ν = (Vp /Vs )2 - 2

2 ((Vp /Vs )2 - 1)

Ed = 2 (1 + ν )G

Gd = ρ Vs 2

Donde:ρ = densidad volumétrica.ν = relación de Poisson.Gd = módulo de corte.Ed = módulo de Young.

Prospección de velocidades por el método Downhole

Impulso

t

Fuente de Receptor Receptor

Oscilógrafo

Determinación de velocidadespor el método Crosshole

Ensayos con Grandes Deformaciones

CPT/CPTuhttps://www.youtube.com/watch?v=s_mglPcXriI

6 4 2 0 100 200 300 400 500 0 2 4 6 80

10

20

30

40

50

60

Varilla de Hincado

Amplificador de Señal

Inclinómetro Biaxial

Manguito deFricción (150 cm )2

Celda de Cargadel Manguitode Fricción

Celda de Cargapor Punta

Geófono Biaxial

Prof

undi

dad

(ft)

Resistenciaa la Fricción

(ton/ft)

Resistenciapor Punta

(ton/ft)

Relación deFricción

(%)

a) Típico Penetrómetro de cono con Sensor Sísmico Incorporado;b) Resultados de un Ensayo de Penetración Cónica

(b)(a)

CPT/CPTu

SPThttps://www.youtube.com/watch?v=qhQFSvaCr_0

SPT

Estimación del Módulo Cortante a partir deEnsayos SPT

Imai y Yoshimura (1970)

Ohba y Toriumi (1970)

Ohta et al (1972)

Ohsaki e Iwasaki (1973)

Hara et al (1974)

Go = N0.78

Go = 1.22 N0.62

Go = 1.39 N0.72

Go = 1.20 N0.80

Go = 1.58 N0.67

Go en KpaN ≈ 0.833 N60

Ensayos de Laboratorio

Ensayo del Presiómetroa) Instalación del equipo b) Curva típica

la cavidad, VPr

esió

n co

rreg

ida,

p

Unidad de

Sondaje

control

cilíndrica presurizadaMembrana flexible

por el fluido DeformaciónElástica

DeformaciónPlástica

Volumen corregido de

Cierre de poros

Ensayo del presurímetroa) Instalación del equipo b) Curva típica

b)a)

ENSAYOS DE LABORATORIO

Ensayo de Columna Resonante

Ensayo Triaxial Cíclico

Ensayo de Corte Directo Simple Cíclico

Ensayo de Corte Torsional Cíclico

Ensayos en Mesa Vibradora

Ensayos en Centrífuga

ENSAYO TRIAXIAL CÍCLICO

Discos de caucho lubricados(arriba y abajo)

Pistón de carga

Junta tórica(anillo "0")

Disco cerámico

Tubo de nylon flexible

Cámara de perspex

Hacia el transductor de presiónintersticial

Bandas de papel filtro

Desde el controlador depresión de cámara

Hacia la bureta de drenaje

Juntas tóricas(Anillos "0"

Muestrade suelo

Agua

Membrana de caucho

Juntas tóricas(Anillos "0")

Disco cerámico

Cámara Triaxial

ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO

ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO

ENSAYO DE CORTE SIMPLE CÍCLICO

Ensayo de corte torsional cíclico

Esfuerzo Axial

ExternaPresión

σ

PresiónInterna

σ

r

θ

θ

zσ

τ zθτ z

Torque

Ensayo de corte torsional cíclico

Ensayo de Columna Resonante