ESTADO DE LA PRÁCTICA PARA ENSAYO DE LABORATORIO DE SUELOS BLANDOS

Aunque los expertos pueden definir un "depósito de suelo blando" de muchas maneras, generalmente se considera "blando" si tiene un índice de sobreconsolidación (OCR) bajo. Esta definición es independiente de la resistencia e incluiría un suelo normalmente consolidado (NC) a cualquier profundidad. Además, tendrá una relación de esfuerzos lateral baja y un esfuerzo de corte in situ relativamente alta. En las mejores circunstancias (la muestra perfecta), este esfuerzo cortante in situ se elimina una vez que se retira el suelo del tubo de muestra. En reconocimiento de esta realidad, el término "muestra intacta" está reemplazando al término "muestra no perturbada".

El control cuidadoso de la operación de recuperación de la muestra es esencial para recolectar una muestra intacta de alta calidad, pero incluso este material se verá alterado con respecto a la condición in situ. Cuando se trata de recolectar muestras de suelo blando, existen algunos requisitos absolutos, junto con muchos detalles complementarios que se pueden implementar para mejorar la calidad de la muestra. Por ejemplo, los pozos deben avanzar utilizando una descarga lateral o una broca giratoria tricónica para evitar que el chorro salga delante del cortador, lo que puede provocar perturbaciones.

Además, el lodo de perforación debe ajustarse para compensar el esfuerzo total horizontal en el fondo del pozo, y el nivel del lodo debe mantenerse durante el manejo de la herramienta. Los muestreadores de pistón fijo y paredes delgadas son los más comunes, pero en teoría, la calidad se puede mejorar a medida que se aumenta el diámetro del muestreador con muestreadores de mayor diámetro o sacatestigos giratorios. Los muestreadores de empuje causarán perturbaciones más allá de los efectos de la eliminación del esfuerzo cortante. El proceso de penetración del muestreador tensa el suelo que ingresa al tubo de muestra, lo que ablanda el material y reduce el esfuerzo efectivo. Los rompedores de succión son útiles cuando el depósito tiene vetas de sedimentación o cuando el suelo tiene baja plasticidad. Reducir la relación de espacio interior de los tubos de muestreo con un torno puede ser útil para mejorar la recuperación de suelos de baja plasticidad que no se hinchan lo suficiente como para adherirse al interior del muestreador.

Cada muestra de suelo seleccionada para pruebas de laboratorio de resistencia y compresibilidad debe ser examinada cuidadosamente para evaluar su calidad general. Las mediciones manuales con paletas de corte tomadas en el campo en los extremos expuestos de la muestra proporcionan una evaluación inmediata del nivel de perturbación. Los efectos del proceso de muestreo reducirán la resistencia al corte, pero el suelo aún debería experimentar una falla frágil después del torque máximo. Además de proporcionar una evaluación de la calidad de la muestra, la evaluación de resistencia inmediata es útil para realizar ajustes en el proceso de muestreo.

La radiografía proporciona una vista de la sección transversal de la muestra antes de retirarla del tubo. Esta tecnología ha estado disponible para los ingenieros geotécnicos durante más de 30 años, pero todavía no se utiliza de forma rutinaria. La radiografía proporciona tres datos extremadamente valiosos:

El parámetro más importante para la caracterización del sitio es el perfil de presión de preconsolidación. El OCR y el historial de esfuerzos del depósito se calculan a partir de la presión previa a la consolidación y con el esfuerzo vertical efectivo calculado in situ. La presión de preconsolidación se determina a partir de los resultados de una curva de compresión unidimensional. Esta medición debe realizarse en material de la más alta calidad en un tubo. Mirando nuevamente la Figura 1, queda claro que la calidad de la muestra es variable y el material de mayor calidad está entre 3,5 y 4,5 pulgadas. Este es el material más adecuado para la prueba de consolidación.

Es fundamental retirar con cuidado la muestra del tubo. De hecho, se puede causar más daño al suelo retirándolo del tubo de muestra que recogiendo la muestra del depósito. Esto se debe a que el suelo está completamente confinado durante el muestreo en tubo, mientras que el esfuerzo total se elimina por completo durante la extrusión y la manipulación. Una vez que se identifica mediante radiografía la sección preferida del tubo, se debe cortar el tubo con una sierra de cinta para aislar la sección de prueba.

La tierra debe despegarse del interior del tubo con una sierra de alambre y luego extruirse suavemente del tubo con presión manual. Luego se puede recortar el suelo para adaptarlo a los requisitos particulares de la prueba. Además de un mejor manejo de las muestras, la prueba de consolidación de tasa constante de deformación (CRS) proporciona datos de compresión mucho más detallados que la prueba incremental estándar del edómetro. Las pruebas CRS producen una curva de compresión continua y se prestan a la automatización de pruebas.

Los cálculos de deformación, esfuerzo efectivo, conductividad hidráulica y coeficiente de consolidación se realizan con programas de computadora y no es necesario interpretar curvas de deformación versus tiempo. Esto supone un importante ahorro en mano de obra. Las curvas de compresión de la prueba CRS son mucho más detalladas y el método elimina la necesidad de interpretar la forma entre puntos de datos escasamente espaciados. La prueba CRS también proporciona una medida continua de la conductividad hidráulica. La Figura 2 muestra los resultados de una prueba CRS realizada en Boston Blue Clay. La curva de compresión es fácil de interpretar utilizando cualquiera de los métodos establecidos para determinar la presión de preconsolidación. Los puntos negros ilustran los puntos que se adquirirían en una prueba de edómetro, durante la cual el esfuerzo se duplica para cada incremento.

En general, la resistencia al corte no drenado de los suelos arcillosos blandos es crítica para las condiciones de carga (por ejemplo, terraplenes), mientras que la envoltura de fricción efectiva es crítica para las condiciones de descarga (por ejemplo, taludes cortados). Los avances en los equipos controlados por computadora han logrado una mejora notable en la capacidad de medir las propiedades de resistencia al corte.

Con esta tecnología, los ingenieros ahora pueden especificar escenarios de carga complejos y más realistas. Ahora incluso es posible, aunque no rentable, realizar un programa de pruebas según el método de la ruta de esfuerzos de Lambe. La automatización informática ha cambiado las pruebas de dos maneras fundamentales: 1) ha reducido la demanda de mano de obra necesaria para realizar las pruebas y 2) ha agregado la capacidad de realizar pruebas utilizando un control de precisión multieje independiente.

Ahora es posible realizar pruebas complejas de varias etapas, incluida la consolidación para establecer condiciones in situ, el corte no drenado para evaluar la resistencia y la reconsolidación para desarrollar anisotropía, seguido de un corte adicional para evaluar la resistencia no drenada mejorada al corte. Con toda esta tecnología, es decepcionante que la profesión todavía especifique pruebas de compresión triaxial no consolidadas, sin drenaje (UU) al desarrollar perfiles de resistencia versus profundidad.

Se podría argumentar que la resistencia al corte manual medida en los extremos del tubo proporciona un valor más representativo de la resistencia al corte no drenado que una prueba triaxial UU. Como se describe en “Recolección de muestras”, se pueden producir alteraciones importantes en la muestra al tomarla, retirarla del tubo, manipularla manualmente, recortarla a las dimensiones adecuadas y encerrarla en la membrana. Esta perturbación influye en la presión de poro negativa y el esfuerzo efectivo resultante dentro de la muestra.

Debido a que la presión de poro no se mide en la prueba UU, se desconoce el esfuerzo efectivo, lo que no deja mediciones para juzgar la razonabilidad del resultado de la resistencia. La evaluación se complica aún más por la influencia de la anisotropía y el tiempo de carga en la resistencia medida. Como resultado, las mediciones UU combinan una serie de factores de comportamiento del suelo indeseables, que podrían conducir a un valor de resistencia demasiado alto o demasiado bajo. Una metodología más apropiada es realizar una prueba triaxial Ko consolidado no drenado (CKoU) que mide las presiones de poro durante el corte.

Durante la primera etapa de la prueba, la muestra se consolida según la relación de esfuerzo in situ para tener en cuenta el hecho de que el esfuerzo efectivo vertical no es igual al esfuerzo efectivo horizontal. Para suelos con bajo OCR, este esfuerzo cortante inicial tiene consecuencias importantes en el comportamiento cortante no drenado posterior. La fase de corte no drenada de la prueba se realiza a una velocidad de deformación lo suficientemente lenta como para permitir el equilibrio de la presión de poro inducida por el corte.

Para demostrar la importancia de las condiciones de consolidación iniciales, la Figura 3 compara el esfuerzo de corte normalizado versus la deformación axial para dos pruebas de compresión triaxial de NC, Boston Blue Clay resedimentada. Una muestra se consolidó en condiciones de Ko (CKoUC) y la otra en condiciones de estrés isotrópico (CIUC). Como se muestra en la Figura 3, la muestra consolidada de Ko tiene una resistencia normalizada más alta y una deformación hasta la falla mucho menor. Esta diferencia en el comportamiento esfuerzo-deformación es especialmente importante cuando un análisis utiliza la compatibilidad de deformaciones a lo largo de una superficie de corte. Se utilizan dos metodologías de prueba muy diferentes para evaluar el perfil de resistencia versus profundidad:

En el enfoque SHANSEP, la muestra de prueba se consolida con Ko más allá de la presión de preconsolidación en el rango NC. La fase de consolidación se realiza con mayor frecuencia utilizando una tasa constante de control de deformación. La muestra se carga aproximadamente al doble de la presión previa a la consolidación para borrar los efectos de la perturbación del muestreo y restablecer la estructura unidimensional. Se utiliza un ciclo de compresión secundaria antes de la siguiente etapa de la prueba, a menos que los resultados se utilicen para un proyecto de construcción por etapas.

A continuación, la muestra se descarga hasta un OCR específico (y el valor de Ko asociado) o se corta en condiciones sin drenaje hasta que falle. Debido a la etapa de consolidación de la prueba, una prueba SHANSEP tarda considerablemente más en realizarse que una prueba de recompresión. Sin embargo, sólo se requieren unas pocas pruebas para determinar las constantes de la ecuación SHANSEP. El perfil completo de resistencia versus profundidad se calcula utilizando la ecuación SHANSEP en combinación con el esfuerzo vertical efectivo y los perfiles de preconsolidación.

Las propiedades de resistencia al corte del suelo dependen de la dirección de carga, la magnitud del esfuerzo fuera del plano y el historial de carga. De hecho, la anisotropía es una de las características más intrigantes y únicas de los geomateriales. Los materiales blandos de grano fino son fuertemente anisotrópicos tanto en resistencia no drenada como en rigidez. Esto ha llevado a la profesión geotécnica a desarrollar una variedad de dispositivos de prueba en respuesta a la influencia de la anisotropía en las propiedades de ingeniería del suelo.

Los dispositivos de prueba más comúnmente utilizados que proporcionan condiciones uniformes incluyen: triaxial (en realidad biaxial), deformación plana, triaxial verdadero y corte simple directo. Los dispositivos de corte simple triaxial y directo son, con diferencia, los más utilizados en la práctica. También hay una serie de dispositivos especiales, como el cilindro hueco de corte por torsión utilizado en la comunidad de investigación, que proporcionan los medios para modificar la dirección de la carga y la magnitud relativa del esfuerzo principal intermedio.

La anisotropía de fuerza puede ser muy significativa. En general, el modo de corte por compresión triaxial tiene la mayor resistencia, seguido por el corte simple directo y luego la extensión triaxial. La magnitud de la anisotropía depende de la plasticidad del suelo y disminuye a medida que aumenta el límite líquido. Un suelo de baja plasticidad puede ser dos veces más fuerte en compresión triaxial que en extensión. Por el contrario, el suelo de baja plasticidad es mucho más dúctil en extensión, con observaciones de más del 10 por ciento de deformación hasta la falla, en comparación con la compresión (a menudo menos del 1 por ciento de deformación hasta la falla). Éstas son diferencias importantes y merecen una cuidadosa consideración. Independientemente de la metodología de prueba, es importante considerar la dirección de la carga en el campo al seleccionar el tipo de prueba a realizar en el laboratorio.

Por ejemplo, el suelo en contacto con un pilote de fricción se simula bien con el dispositivo de corte simple directo. El arco circular utilizado para investigar la estabilidad de un terraplén sería la compresión por deformación plana en la cresta, el corte simple directo en el medio y la extensión por deformación plana en el pie. Debido a que los equipos de deformación plana son poco comunes, las pruebas de deformación plana a menudo se reemplazan con equipos triaxiales. La atención a los detalles siempre cuenta

La tecnología de pruebas ha avanzado enormemente en los últimos 30 años. La automatización informática ha reducido los requisitos de mano de obra, ha mejorado la precisión de las pruebas y ha permitido una complejidad de pruebas asombrosa. Pero la calidad de los resultados de las pruebas sigue dependiendo de la calidad de la muestra. La comunidad de ingeniería geotécnica debe aprovechar la mayor sofisticación de los laboratorios especificando programas de prueba que tengan en cuenta los aspectos más importantes del comportamiento del suelo. Unas cuantas pruebas cuidadosamente seleccionadas proporcionarán información mucho más útil y aumentarán la confianza en una solución de ingeniería.