Análisis de la fricción con el terreno de refuerzos ...
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Treball realitzat per:
Jon Cuesta Jiménez
Dirigit per:
Ivan Puig Damians
Grau en:
Enginyeria d’Obres Públiques
Barcelona, 20 de juny de 2021
Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental TR
EBA
LL F
INA
L D
E G
RA
U
Análisis de la fricción con el terreno
de refuerzos poliméricos variando
su geometría
Índice:
1.- Antecedentes: 1
1.1.- Introducción 1
1.2.- Refuerzos poliméricos 1
1.3.- Objetivos del trabajo 1
1.4.- Contexto actual respecto a ensayos con refuerzos poliméricos 1
1.5.- Diseño de muros de suelo reforzado 5
2.- Ensayos de corte directo 16
2.1.- Materiales y herramientas utilizados 17
2.2.- Selección de posibles geometrías 19
2.3.- Metodología 23
2.4.- Realización de ensayos de corte directo 25
2.5.- Resolución de incidencias 30
3.- Resultados: 31
3.1.- Adecuación de los resultados 31
3.2.- Resistencia de corte 32
3.3.- Ángulo de rozamiento 37
3.4.- Comparación entre muestras 39
3.4.- Dilatancia 47
4.- Conclusiones y futuros trabajos. 52
4.1.- Selección final en caso de resultados concluyentes. 52
4.2.- Desarrollo de conclusiones y futuras líneas de investigación. 53
Referencias bibliográficas 54
Anejos
A.1.- Resultados ensayos 55
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
1 Jon Cuesta Jiménez
1.- ANTECEDENTES
1.1.- Introducción:
Un muro de suelo reforzado consiste en un paramento vertical habitualmente de
hormigón que soporta el empuje del terreno gracias a unos anclajes que se introducen
en el suelo. Esta solución es ampliamente utilizada en ingeniería civil y sus
características permiten una gran optimización del espació.
El elemento más importante de este sistema es el anclaje, también conocido como el
refuerzo. La tipología de dicho refuerzo puede variar principalmente entre anclajes de
acero y refuerzos poliméricos. En este estudio nos centraremos en los segundos.
1.2.- Refuerzos poliméricos
Los refuerzos poliméricos se caracterizan por tener una resistencia prácticamente nula
a la compresión i a la flexión, por el contrario, trabajan muy bien a tracción. Puesto que
este es el único esfuerzo al que se someten, no representan ninguna desventaja en ese
aspecto y sin embargo sí que aportan ventajas como la resistencia a la corrosión en
comparación con los refuerzos metálicos. Esto también influye en que su durabilidad
sea muy superior.
1.3.- Objetivos del trabajo:
Existen varios tipos de refuerzos poliméricos, tanto por su composición material en sí
como por su geometría y rugosidad superficial. En este trabajo se realizará un estudio
de la interacción suelo-refuerzo de unos refuerzos poliméricos variando su geometría.
El objetivo es descubrir si hay alguna geometría en particular que aumente su
coeficiente de fricción con el terreno y por lo tanto su efectividad.
Para dicho estudió se realizarán unos ensayos a corte directo.
1.4.- Contexto actual respecto a ensayos con refuerzos poliméricos
En este apartado se procede a explicar en una breve descripción las diferentes
tipologías i origen de los muros y suelos reforzados, los cuales nos llevan directamente
a los propios refuerzos, principal objetivo de estudio de esta tesis.
A lo largo del tiempo, el ser humano ha tenido la necesidad de realizar diversas acciones
constructivas al terreno, con el objetivo de estabilizarlo o mantenerlo, entre ellos se
encuentran los cortes, los rellenos i las estabilizaciones. Los rellenos siempre se ven
afectados por la atracción gravitacional, lo que provoca el desplazamiento de su centro
de gravedad en la misma dirección. Esta característica depende del tipo de suelos
existentes en el terreno, condiciones hidrológicas, profundidad de excavación,
inclinación, peso de la estructura y muchos otros factores que hacen necesaria la
colocación de algún tipo de soporte.
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A continuación, se mostrarán algunos tipos de muros de contención que se han utilizado
a lo largo de la historia:
En los muros de gravedad grafiados en la Figura 1.4.1, el soporte viene dado por el gran
peso del propio muro que es capaz de contrarrestar el empuje del terreno del trasdós.
El muro puede estar formado por hormigón armado, en masa o por grandes bloques.
Pueden presentar diferentes geometrías i características como tacones, contrafuertes o
incluso anclajes en el terreno.
Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento.1.4.1 Muros de gravedad (Fuente: Cortés 2018)
Los muros pantalla grafiados en la Figura 1.4.2 son estructuras de contención flexibles
que sirven para poder resistir los empujes del terreno en los periodos críticos de la
excavación de solares, evitando así las entradas de agua provenientes del nivel freático
i la contención del peso del trasdós.
Figura 1.4.2 Muros pantalla (Fuente: Cortés 2018)
Des de la antigüedad el refuerzo del terreno ha sido un elemento clave para la
construcción i el desarrollo de las ciudades. Por ejemplo, las ramas de los árboles
fueron utilizadas como refuerzo en los diques de tierra en China durante al menos
1000 años o durante la época medieval, donde la gente utilizaba capas alternativas de
tierra y troncos para la construcción de fortificaciones. No fue hasta principios de 1960
cuando Henri Vidal inventó el actual sistema de refuerzo que conocemos hoy en día y
que condujo al establecimiento de la patente Tierra Armada®.
El sistema constructivo se basa en el refuerzo de un terraplén mediante flejes,
metálicos o sintéticos, como se indica en la Figura 1.4.4 provocando fricción con el
terreno.
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De esta manera el mismo bloque se comporta como un muro de contención, como se
observa en la Figura 1.4.3, evitando así construir una cimentación ya que el terraplén
actúa como base de apoyo en toda su superficie. Esto hace que su utilización sea muy
indicada en suelos compresibles i de baja capacidad portante.
Figura 1.4.3 Muro de suelo reforzado (Fuente: Cortés 2018)
A continuación, se describirán las principales partes de los muros de suelo reforzado
indicadas en la Figura 1.4.4:
Figura 1.4.4 Componentes de suelo reforzado con paramento de hormigón (Fuente: Damians 2016)
• El material de relleno tiene que garantizar características de densidad,
capacidad portante, granulometría i plasticidad que puedan están relacionadas
con el tipo de refuerzo utilizado. La correcta elección, colocación i
compactación según se indican en los proyectos, son los principales factores
que determinan la estabilidad, durabilidad i drenaje interno, para garantizar un
buen rendimiento del sistema i una mínima corrosión de los refuerzos
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(Principalmente se requieren suelos con coeficientes de uniformidad superiores
a 4 i coeficientes de curvatura comprendidos entre 1 y 3.
• Los refuerzos son generalmente elementos lineales (barras, flejes, mallas,
tiras, etc.) con escasa o nula resistencia a la flexión, pero buen comportamiento
a esfuerzos de tracción i/o cizalla. Dependiendo de la naturaleza del material,
como se puede observar en la Figura 1.4.5, se puede diferenciar entre
refuerzos inextensibles (metálicos) y extensibles (poliméricos) frente a las
cargas de tracción. La elección del material viene determinada por las
condiciones ambientales i por el tipo de relleno utilizado. Se tiene que
garantizar la durabilidad a la corrosión i la resistencia frente a las fuerzas
transmitidas por el conjunto del sistema constructivo.
Figura 1.4.5 Listado de los diferentes refuerzos utilizados en muros de suelo reforzado según su naturaleza (Fuente: British Standard 6008)
• Los paneles verticales se encargan principalmente de sostener el frontal del
refuerzo i de garantizar la unión de los refuerzos. Habitualmente son
prefabricados de hormigón de diversas geometrías que dependen
principalmente del sistema i del fabricante. El conjunto de paneles tiene un
comportamiento de carácter flexible, ya que permiten cierto movimiento gracias
a las juntas abiertas, que se mantienen vertical y horizontalmente entre piezas
que garantizan a la vez un cierto drenaje. También se puede dar el caso donde
el paramento vertical este formado por bloques de mampostería especialmente
diseñados para unir los refuerzos, cajones metálicos que contengan bloques de
piedra i material granular de gran medida o mantas geotextiles que a la vez
hacen la función de refuerzo ya que su puesta en obra en continua.
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• Las juntas de montaje garantizan un buen contacto entre los paneles i al mismo
tiempo permiten el movimiento que se genera por dilatación o contracción y
posibles asentamientos del propio suelo.
• La cimentación tiene que garantizar una capacidad portante que resista las
cargas del conjunto del muro y tiene que poder controlar los asentamientos que
se producen con el tiempo. Por lo tanto, es necesario sanear o estabilizar todos
los materiales que puedan ocasionar alguna patología en el futuro.
• El terreno natural juega un papel muy importante en lo que a la unión del
relleno se refiere. Se deben estudiar las características mecánicas para
establecer la pendiente más adecuada.
La fricción suelo-refuerzo depende directamente de los materiales utilizados y de la
correcta ejecución y colocación de los refuerzos. Por lo tanto, los principios de la
mecánica de suelos son fundamentales en los muros de suelo reforzado.
1.5 Diseño de muros de suelo reforzado
Como cualquier estructura de contención, los muros de suelo reforzado se tienen que
diseñar bajo unos parámetros para que se cumplan los requisitos de durabilidad y
estabilidad. De ahí viene la importancia de identificar los sistemas de ruptura que
pueden malmeter el funcionamiento de la construcción.
Los requisitos de equilibrio se diferencian entre estabilidad externa y estabilidad
interna.
1.5.1 Estabilidad externa
El cálculo de estabilidad externa se realiza con la misma metodología que cualquier
otro muro de gravedad, considerando todo el muro de tierra armado como conjunto. Es
necesario comprobar las siguientes estabilidades:
• La estabilidad al vuelco, grafiada en la Figura 1.5.1.1, se determina comprobando que los momentos estabilizadores respecto al punto de giro, son superiores a los momentos volcadores con un factor de seguridad igual o superior a dos. A continuación, se puede observar el esquema de fuerzas en la Figura 1.5.1.2.
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Figura 1.5.1.1 Ilustración del vuelco de un muro respecto al punto de giro situado en la base del muro (Fuente: Potts 2001)
Figura 1.5.1.2 Esquema del mecanismo de vuelco de un muro debido a los empujes producidos por el terreno más cargas externas con los cálculos del factor de seguridad. (Fuente: FHWA 1989)
• La estabilidad al deslizamiento, grafiada en la Figura 1.5.1.3, consiste en analizar si la resistencia al corte en la unión entre el terreno y la base del muro es superior a los esfuerzos tangenciales producidos por el peso del terreno del trasdós. Se utiliza un factor de seguridad igual o superior a 1,5. La resistencia al corte en la base se calcula mediante la tangente del ángulo de fregamiento y multiplicándolo por las fuerzas verticales tanto del peso propio como de las cargas exteriores. Observar en la Figura 1.5.1.4.
Figura 1.5.1.3 Ilustración del deslizamiento de un muro (Fuente: Potts 2001)
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Figura 1.5.1.4 Esquema del mecanismo de deslizamiento de un muro debido a los empujes producidos por el terreno más cargas externas con los cálculos del factor de seguridad (Fuente: FHWA 1989)
• La estabilidad al hundimiento, grafiado en la Figura 1.5.1.5, consiste en comprobar el hundimiento del terreno en la base del muro. Se plantea con el método de cálculo de cimentaciones superficiales Meyerhof, se realiza un equilibrio de fuerzas que se comparan con la resultante de fuerzas verticales totales. Se utiliza un factor de seguridad igual o superior a 2. Observar en la Figura 1.5.1.6.
Figura 1.5.1.5 Ilustración del hundimiento de un muro (Fuente: Potts 2001)
Figura 1.5.1.6 Esquema del mecanismo de hundimiento de un muro debido a los empujes producidos por el terreno más cargas externas con los cálculos del factor de seguridad (Fuente: FHWA 1989)
• La estabilidad general, grafiada en la Figura 1.5.1.7, es la última comprobación donde se debe verificar la posible inestabilidad del terreno que envuelve la estructura y comprobar las superficies de rotura que se pueden dar y los factores de seguridad correspondientes.
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Figura 1.5.1.7 Ilustración del hundimiento de un muro (Fuente: Potts 2001)
1.5.2 Estabilidad interna
El terreno es un material, que como se ha citado anteriormente, resiste muy poco a los
esfuerzos de corte. El refuerzo mediante un elemento introducido en el relleno o el
confinamiento del terreno aporta una resistencia notable a los esfuerzos de corte,
observar la Figura 1.5.2.1, ya que, para las cargas próximas a rotura, el refuerzo resiste
las tensiones horizontales que el terreno no es capaz de soportar, aportando una tensión
vertical final o ruptura superior. Esto se puede observar en el diagrama de la Figura
1.5.2.3.
Figura 1.5.2.1 Comparativa (entre suelo reforzado y suelo no reforzado) del comportamiento bajo cargas verticales (Fuente: Damians 2016)
Otro efecto que considerar es la dilatancia, una propiedad de los materiales utilizada
frecuentemente para describir el incremento de volumen de un material granular frente
a un esfuerzo cortante. Al aplicar un alto confinamiento sobre materiales granulares sin
cohesión se puede observar una alteración en su comportamiento, donde a más presión
se vuelven netamente contractivos, en un régimen de esfuerzos elevados también se
puede dar lugar a la rotura de fragmentos generando así una disminución en la distancia
del material. Observar en la Figura 1.5.2.4.
Si la compactación es suficiente, los esfuerzos cortantes que ocurran en los alrededores
de las armaduras dan tendencia a producir un aumento local del volumen del suelo. Su
expansión queda limitada por la poca compresibilidad de las zonas próximas al refuerzo,
resultando en un aumento de la tensión normal aplicada sobre la armadura, tal y como
se observa en la Figura 1.5.2.5, con un aumento consecuente del valor de la interacción
entre el suelo y el refuerzo.
Una analogía fuera de la mecánica de suelos seria o que pasaría al deslizar una fila de
rodillos sobre otra, al estar las dos colocadas de manera que intenten ocupar todos los
espacios, como se grafía en la Figura 1.5.2.2, al producirse un movimiento de corte por
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debajo de la fila inferior, la fila superior necesita desplazarse por encima de las
generatrices de los rodillos de la fina inferior para poder avanzar. La deformación de
corte seria en este caso el desplazamiento del centro de la fila superior respecto al
centro de la fila inferior, donde hay un aumento de volumen ya que la altura total de las
dos filas de rodillos es más grande cuando los rodillos están pasando exactamente por
encima de los otros. En un suelo sucede un fenómeno similar con los áridos. Este
proceso se conoce como dilatancia.
Figura 1.5.2.2 Posibles tipos de movimiento de partículas en un suelo granulado (Fuente: Modelación en 3D cimentaciones aisladas bajo carga centrada en suelos friccionales. ABAQUS/CAE)
Figura 1.5.2.3 Comportamiento del suelo reforzado y no reforzado ilustrado con el circulo de Mohr (Fuente: Damians 2016)
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Figura 1.5.2.4 Efecto de la dilatancia respecto alta y baja presión de confinamiento (Fuente: Damians 2016)
Figura 1.5.2.5 Variación de la tensión vertical producida por la dilatancia generada por la cizalla de los refuerzos (Fuente: MOPU-DGC 1994)
Por otra parte, el mismo refuerzo genera una fricción aparente en la interacción de
arranque, que depende tanto del ángulo de rozamiento interno del suelo, como de la
rugosidad superficial de los refuerzos. La Figura 1.5.2.6 muestra un ejemplo de esta
influencia en el coeficiente de rozamiento aparente respecto al valor de la sobrecarga
del terreno al nivel del refuerzo.
Figura 1.5.2.6 Influencia de la profundidad en el coeficiente de rozamiento aparente respecto armaduras con o sin resaltos (Fuente: MOPU-DGC 1994)
El valor de tan ψ de la anterior figura hace referencia al rozamiento entre el suelo y los
refuerzos (antes tan δ) y lo que viene a decir es que, con refuerzos con cierta rugosidad
superficial, la interacción suelo-refuerzo es equivalente a la interacción suelo-suelo al
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generarse la hipotética superficie de deslizamiento con una cierta separación de los
refuerzos.
Para el estudio de la estabilidad interna de los muros de suelo reforzado, se ha de tener
en cuenta también, el comportamiento de los materiales que lo componen i la interacción
entre ellos.
El material principal es el terreno de relleno ya que ocupa la mayor parte del volumen
respecto a los paneles verticales y los refuerzos. Aunque al mismo tiempo ejerce un
empuje, debido a su peso propio, que se transfiere al paramento y es sostenido por los
refuerzos, que resisten por fricción.
Esto genera que exista una zona en la que el terreno se encuentre en rotura o estado
activo, y otra que se comporte de manera resistente donde se sostienen los esfuerzos
del empuje del terreno. Observar en la Figura 1.5.2.7.
La localización de la superficie, donde las tracciones de los refuerzos son máximas y la
zona en estado activo cambia dependiendo de la naturaleza del refuerzo a utilizar y se
diferencian en:
• Refuerzos inextensibles (observar Figura 1.5.2.7): elementos muy poco deformables de naturaleza metálica, generalmente consisten en barras o mallas metálicas. Donde la deformación en rotura es menor que la deformación por rotura del suelo, en condiciones similares. El comportamiento del material en términos de la localización del estado activo en el terreno se ve reducido por la rigidez del material.
Figura 1.5.2.7 Esquema del comportamiento de un refuerzo y la localización de la zona activa i resistente (Fuente: Cortés 2018)
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Figura 1.5.2.9 Esquema de la localización de la zona activa en refuerzos inextensibles (Fuente: British Standard 8006)
• Refuerzos extensibles (observar Figura 1.5.2.8): materiales de naturaleza polimérica donde la deformación en rotura es mayor que la deformación por rotura del suelo. La flexibilidad del material permite tolerar las deformaciones que se originan durante el proceso constructivo, en el cual el coeficiente de empuje va en aumento hasta coronar el muro. Esto hace que la superficie del terreno en estado activo aumente respecto al refuerzo inextensible.
Figura 1.5.2.8 Esquema de la localización de la zona activa en refuerzos extensibles (Fuente: British Standard 8006)
Visto el comportamiento dependiendo del tipo de material a utilizar, el siguiente paso es
el de conocer las tensiones máximas (𝑇𝑚𝑎𝑥) que se dan en la frontera de la zona activa
/ resistente, como se grafía en la Figura 1.5.2.9.
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Figura 1.5.2.9 Localización de la tensión máxima (𝑇𝑚𝑎𝑥) en un refuerzo inextensible (Fuente: Damians 2016)
Estas tensiones vienen dadas por la expresión:
𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝑆𝑣 ∗ 𝜎ℎ = 𝑆𝑣 ∗ (𝜎𝑣 ∗ 𝐾𝑟)
Donde 𝑆𝑣 corresponde a la separación vertical de los refuerzos (Figura 1.5.2.9), 𝜎𝑣
corresponde a la presión de tierras a la altura del refuerzo a estudiar (peso de las tierras
más las sobrecargas), y 𝐾𝑟 es el coeficiente de empuje lateral de las tierras del suelo
reforzado (𝐾𝑟 = 𝜎2/ 𝜎1) y relacionado con el coeficiente de rozamiento aparente
comentado anteriormente. El valor va dado en función del coeficiente de empuje en
reposo y actualmente se utiliza en ábacos semi-empíricos como el de la Figura 1.5.2.10
(correspondiente al Método Simplificado AASHTO 2012) por su determinación.
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Figura 1.5.2.10 Variación del coeficiente de empuje del suelo reforzado en función de la altura y del tipo de refuerzo (Fuente: Cortés 2018)
Como se ha comentado anteriormente, la tensión máxima (𝑇𝑚𝑎𝑥) tiene que satisfacer
los diferentes modelos de rotura en términos de estabilidad interna de la estructura. La
estabilidad interna se encarga de determinar las resistencias de cada uno de los
materiales que componen el muro de suelo reforzado y la interacción entre ellos, por lo
tanto, las comprobaciones a realizar son:
• Verificación de la rotura de los puntos de anclaje en los paneles: se tiene que comparar la tensión máxima con la tensión admisible de los puntos de anclaje y verificar su buen funcionamiento. Esta verificación dependerá del panel vertical que se utilice en cada caso, ya que la resistencia va en función del tipo de hormigón que lo compone.
• Verificación de la rotura interna de los refuerzos, como se observa en la Figura 1.5.2.12: la rotura se comprueba mediante la tensión máxima que soportaran los refuerzos y comparando con la resistencia de estos, es decir, el producto de su área por el límite elástico del material del refuerzo o comparando la tensión máxima admisible que garantice el fabricante.
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Figura 1.5.2.11 Detalle de los puntos de anclaje de los refuerzos en los paneles verticales (Fuente: Damians 2016)
Figura 1.5.2.12 Rotura de los refuerzos por superación del límite resistente estructural (Fuente: FHWA 1989)
• Arranque de los refuerzos: para verificar el arranque, se comprueba que la tracción calculada anteriormente es menor a la resistencia por rozamiento en la parte que queda fuera de la cuña de la rotura.
La verificación del arranque está estrechamente ligada con el principal motivo del
estudio de esta tesis, que es el estudio de la fricción de los refuerzos con el suelo. Para
realizar dicho estudio se han realizado unos ensayos de corte directo, buscando obtener
el mayor coeficiente de rozamiento posible entre los refuerzos y el suelo.
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2.- ENSAYOS DE CORTE DIRECTO:
A continuación, se detalla en qué consisten dichos ensayos:
El ensayo de corte directo consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a
otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de
corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del
movimiento.
El ensayo de corte directo impone sobre un suelo las condiciones idealizadas del
ensayo. Es decir, induce la ocurrencia de una falla a través de un plano de localización
predeterminado. Sobre este plano actúan dos fuerzas (o esfuerzos): un esfuerzo normal
debido a una carga vertical (Pv) aplicada externamente y un esfuerzo cortante debido a
la aplicación de una carga horizontal (Ph). Estos esfuerzos se calculan simplemente
como:
𝑛 = 𝑃𝑣/𝐴
Donde A es el área nominal de la muestra (o de la caja de corte) y usualmente no se
corrige para tener en cuenta el cambio de área causada por el desplazamiento lateral
de la muestra (Ph).
La Figura 2.1 muestra los principales detalles del aparato de corte directo, en el cual la
muestra de suelo se introduce en un molde dividido horizontalmente en dos mitades. Se
aplica luego a la muestra una fuerza normal mediante una placa de carga, y, luego de
fijar la mitad superior del molde, se corta la muestra en un plano horizontal mediante la
aplicación de una fuerza cortante.
Figura 2.1 Esquema del ensayo de corte directo (https://www.celtest.com/news/direct-shear-test-laboratory)
En el caso que nos ocupa, debemos desviarnos ligeramente de la aplicación original de
este ensayo, para poder estudiar la interacción suelo-refuerzo, en vez del ángulo de
rozamiento del suelo. Para ello usaremos un soporte que ocupe prácticamente la
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totalidad de una de las mitades donde colocaremos el refuerzo, mientras que la otra
mitad se rellenará con suelo como en el método convencional.
2.1.- Materiales y herramientas utilizados
En primer lugar, se estudiaron las dimensiones que debería tener el soporte necesario
para la correcta colocación de las geometrías a la hora de realizar los ensayos. Puesto
de el diámetro de la probeta es de 60 mm se propuso un diámetro de 59 mm, por otra
parte, pese a que se debe dejar un espació para la colocación de la geometría se decidió
que la altura del soporte cilíndrico fuera de 25 mm, la altura total de la mitad de la
probeta. Esto es debido a que posteriormente se procedería a limar la base del soporte
para alcanzar la altura idónea.
Encontrar una pieza con unas dimensiones tan especificas es prácticamente imposible,
por lo que se decidió realizar una impresión 3D en el edificio de la facultad de industriales
de la UPC. El problema de imprimir un objeto en 3D es que no dispone de la suficiente
resistencia para ser usado en un laboratorio donde será sometido a cargas
significativamente elevadas. Esto se debe a que las piezas no suelen generarse
macizas, sino que en el interior se forma una malla que aporta cierta estabilidad al
objeto, pero no la suficiente para la aplicación deseada.
Por ese motivo se indicó específicamente que se imprimiese con la particularidad de ser
maciza, lo cual elevo el coste y el tiempo de fabricación.
A parte del elemento cilíndrico que deberá ser modificado para dejar el suficiente
espacio para la muestra del refuerzo, será necesario establecer el tipo de suelo que
utilizaremos, así como en qué condiciones se encontrará.
Estas condiciones del suelo deberán ser las mismas para todos los ensayos, ya que
modificar estas condiciones tendría como consecuencia la invalidez de los resultados
obtenidos.
El tipo de suelo a utilizar será: Suelo Campus Nord
Se a utilizado este suelo en concreto debido a que se dispone de estudios anteriores
realizados con el mismo. En estos ensayos se estudió la granulometría del suelo
mostrada en la Figura 2.1.1 ya también realizaron ensayos de compactación para
obtener la densidad seca máxima y la humedad óptima (observar Figura 2.1.2).
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Figura 2.1.1 Curva granulométrica del suelo utilizado en los ensayos (Fuente: Cortés 2018)
Figura 2.1.2 Gráfica del ensayo Proctor Normal (Fuente: Cortés 2018)
Como se puede apreciar en la Figura 2.1.2, el valor de humedad optima del suelo es de
7,9%. Para estos ensayos se aproximará a un 8%.
Por último, necesitaremos el refuerzo en sí, el cual constará de una sección de un
refuerzo polimérico estándar, recortado circularmente para que encaje con la forma de
la probeta donde se realizará el ensayo. El estado original del refuerzo se puede apreciar
en la Figura 2.1.3
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Figura 2.1.3 Refuerzo polimérico sin modificar (Fuente GECO)
Para preparar los círculos con sus respectivas geometrías se han utilizado unas tijeras
y un cúter. En total se han fabricado un total de 54 muestras. Observar Figura 2.1.4
Figura 2.1.4 Muestras recortadas y soporte cilíndrico usado como referencia
2.2.- Selección de posibles geometrías
La clasificación predominante de los ensayos la marcará la geometría del agujero del
refuerzo, y subdividiremos cada categoría con un distinto tamaño de agujero.
Una vez seleccionada la geometría y el tamaño del agujero, el resto de los pasos a
seguir será el mismo para todos los ensayos. Se aplicará una fuerza horizontal
constante a la parte superior de la probeta. Debido a que es un proceso manual, es
importante que se realice de la manera más idéntica posible en todas y cada una de las
repeticiones.
Por cada geometría se utilizarán 3 coeficientes de superficie “Área agujero/Área total”.
Y en cada una de esas muestras se realizarán 3 repeticiones, una para cada fuerza de
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confinamiento. Teniendo en cuenta que tendremos 6 tipos de geometría diferentes, el
número de ensayos totales será de 54.
Respecto a los refuerzos se utilizará el mismo tipo de material polimérico al que se le
realizarán cortes con distintas geometrías para cada serie de ensayos. Las geometrías
elegidas serán:
• Sin alteración alguna
• Circular
• Rectangular (arista mayor paralela al eje de corte)
• Rectangular (arista mayor perpendicular al eje de corte)
• Triangular (dirección de corte de arista hacia vértice opuesto)
• Triangular (dirección de corte de vértice hacia arista opuesta)
En la Figura 2.2.1 se pueden observar las cuatro tipologías de geometría.
Figura 2.2.1 Muestras de refuerzo con las distintas tipologías de geometría
Para cada tipo de geometría se prepararán 3 muestras cada una con un tamaño de
agujero diferente. El calculó del área que actuará como interacción suelo-refuerzo se
caracterizará con un coeficiente del valor del área de interacción suelo-suelo entre el
área total de la muestra.
Los tres valores de este coeficiente serán los siguientes:
A_s-s / A_t = 0.1 - 0.25 - 0.4
A continuación, en las Figuras 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5 y 2.2.6 se muestra una sección
a escala de los cortes con cada una de las distintas geometrías y con los distintos
coeficientes de superficie.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
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Circular:
Figura 2.2.2 Grafismo de las muestras de geometría circular con los 3 coeficientes de superficie.
Las geometrías grafiadas en la figura anterior serán nombradas en los siguientes
apartados del trabajo como C-0.1, C-0.25 y C-0.4.
Rectangular 1:
Figura 2.2.3 Grafismo de las muestras de geometría rectangular 1 con los 3 coeficientes de superficie.
Las geometrías grafiadas en la figura anterior serán nombradas en los siguientes
apartados del trabajo como R1-0.1, R1-0.25 y R1-0.4. En esta geometría la dirección
del eje de corte es paralela a la arista de mayor tamaño.
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22 Jon Cuesta Jiménez
Rectangular 2:
Figura 2.2.4 Grafismo de las muestras de geometría rectangular 2 con los 3 coeficientes de superficie.
Las geometrías grafiadas en la figura anterior serán nombradas en los siguientes
apartados del trabajo como R2-0.1, R2-0.25 y R2-0.4. En esta geometría la dirección
del eje de corte es perpendicular a la arista de mayor tamaño.
Triangular 1:
Figura 2.2.5 Grafismo de las muestras de geometría triangular 1 con los 3 coeficientes de superficie.
Las geometrías grafiadas en la figura anterior serán nombradas en los siguientes
apartados del trabajo como T1-0.1, T1-0.25 y T1-0.4. En esta geometría la dirección del
eje de corte avanza desde una arista al vértice opuesto.
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23 Jon Cuesta Jiménez
Triangular 2:
Figura 2.2.6 Grafismo de las muestras de geometría triangular 2 con los 3 coeficientes de superficie.
Las geometrías grafiadas en la figura anterior serán nombradas en los siguientes
apartados del trabajo como T2-0.1, T2-0.25 y T2-0.4. En esta geometría la dirección del
eje de corte avanza desde un vértice a la arista opuesta.
Preparación de las muestras:
Partiendo de un refuerzo poliméricos estándar de una longitud de 3 metros, se procede
a dibujar circunferencias de 3 cm de radio a lo largo de su longitud. Seguidamente para
cada muestra hay que dibujar la geometría correspondiente indicada en las figuras
anteriores.
El sistema de corte de las muestras consiste simplemente en recortar el refuerzo inicial
con unas tijeras para darle la forma deseada, y con ayuda de un mechero sellar las
fibras poliméricas de su interior.
2.3.- Metodología
Una vez en el laboratorio y con todos los materiales y muestras listos, se procederá a
seguir los siguientes pasos para la realización de cada ensayo:
• Pasos previos generales:
Reducción del canto del taco cilíndrico: será necesario pulir el taco de plástico
para dejar el suficiente espacio a las muestras que se utilizarán. Este proceso se ha
pospuesto hasta este momento para poder comprobar cual es la altura ideal del
cilindro para encajar el refuerzo en la probeta. En la Figura 2.3.1 se puede apreciar
la diferencia del taco antes y después de ser limado.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
24 Jon Cuesta Jiménez
Figura 2.3.1 Soporte cilíndrico antes (izquierda) y después de reducir su canto limándolo (derecha)
Realización de los cortes en los refuerzos: se deberán cortar todos los refuerzos
para dejarlos con una forma circular de diámetro 60 mm, el mismo que la probeta y
el cilindro. Seguidamente se realizarán los cortes de cada una de las geometrías en
su interior.
Preparación del suelo a utilizar: será necesario escoger una muestra de suelo
homogénea en todo su volumen para evitar infectar los resultados. Para mantener
la humedad del suelo a medida que avancen los ensayos, se comprobará y añadirá
agua en caso de que el valor disminuya significativamente.
• Pasos de cada serie:
Colocación: Se colocará primeramente el taco cilíndrico en la parte inferior de la
probeta, seguido de la muestra de refuerzo que vayamos a ensayar. En la mitad
superior de la probeta se colocará solamente el tipo de suelo seleccionado. Este
suelo se compactará con un Proctor en dos tongadas de 12 golpes cada una, no sin
antes haber fijado las dos mitades de la probeta. Por ultimo se colocará la probeta
en el aparato de ensayo y se ajustarán los sensores de desplazamiento y de tensión.
Selección de fuerza vertical: Se seleccionarán la fuerza vertical que le per toque a
cada muestra, la cual equivaldrá a una profundidad especifica.
Ejecución del ensayo: En primer lugar, se medirá el desplazamiento vertical debido
al asentamiento producido por la fuerza vertical con el ensayo del edómetro.
Seguidamente se procederá a girar la manivela con una fuerza y un ritmo constante
para obtener los resultados del ensayo de corte directo. La velocidad deberá ser la
misma en todas las repeticiones.
Obtención de datos: Una vez realizadas estas acciones se pasará a obtener los
resultados del ordenador conectado al aparato. Los cuales se guardarán en un USB
para su posterior estudio.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
25 Jon Cuesta Jiménez
2.4.- Realización de ensayos de corte directo con los refuerzos
seleccionados
Todos los ensayos fueron realizados en el laboratorio de mecánica de suelos del edificio
D2 del campus Nord de la UPC.
Consistieron en 4 sesiones, dos de 4 horas, una de 8, y una de 12.
Procesos previos:
En todas las sesiones el proceso previo a la realización de los ensayos fue el de la
preparación del suelo, junto con la adecuación de las muestras de refuerzo.
En primer lugar, se procedió a utilizar un tamiz de 4 mm para eliminar las gravas de
mayor tamaño que podían inducir a resultados no válidos. En segundo lugar, se
incrementó la humedad del suelo a un 8%, coincidiendo con la humedad optima del
mismo. En la Figura 2.4.1 se puede observar una muestra del suelo utilizado con la
humedad descrita.
Figura 2.4.1 Muestra de suelo utilizado
Respecto a las muestras de refuerzo, se le ajusto el tamaño para hacerlas encajar
debidamente con el molde del aparato de corte directo. Esto es debido a que se
recortaron anteriormente con un pequeño margen para poder realizar los últimos ajustes
comprobando directamente el tamaño con las probetas.
Procesos de cada ensayo:
Después de estos trabajos iniciales, se procedió a empezar con la preparación previa a
cada ensayo, el proceso citado a continuación fue el mismo para todos los ensayos.
Este hecho proporciona una mayor fiabilidad de los resultados.
En primer lugar, se aplica una capa de aceite en la superficie metálica en contacto entre
las dos probetas como se indica en la Figura 2.4.2. El objetivo de este paso es disminuir
lo máximo posible cualquier fuerza de rozamiento que no provenga de la interacción
suelo-refuerzo.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
26 Jon Cuesta Jiménez
Figura 2.4.2 Aplicación de aceite en la junta entre las dos mitades de la probeta
A continuación, se coloca el cilindro impreso en 3D en la sección inferior del molde,
dejando un espació de unos milímetros donde se sitúa la geometría seleccionada como
se puede apreciar en la Figura 2.4.3. Esta parte inferior de la probeta disponía de un
trozo de cinta americana en su parte inferior, facilitando el transporte de la probeta
preparada del banco de trabajo al aparato de ensayo.
Figura 2.4.3 Probeta inferior con soporte y geometría
Seguidamente se coloca la parte superior del molde y se fija a la inferior con dos tornillos.
El factor más importante de este paso es asegurarse de que no quede ninguna apertura
por donde el suelo pueda colarse en la junta de las dos mitades de la probeta, en la
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
27 Jon Cuesta Jiménez
Figura 2.4.4 se puede observar la probeta lista y fijada para seguidamente añadir el
suelo.
Figura 2.4.4 Ambas mitades de la probeta atornilladas
A continuación, se añade el 50% del suelo y se procede a compactar antes de añadir el
resto. El proceso de compactación consiste en 12 impactos del Proctor en la primera
tongada, y otros 12 en la segunda. La segunda compactación se realiza con un plástico
que ayude a contener el suelo dentro de la probeta, ya que si se realizará la
compactación sin este elemento una parte del suelo se perdería. (Observar Figura 2.4.4)
Figura 2.4.4 Primera compactación (izquierda) y segunda compactación (derecha)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
28 Jon Cuesta Jiménez
Una vez se tiene el suelo compactado la muestra está lista para ser ensayada. Se
transporta al aparato de corte directo donde se ajusta en la caja del ensayo. (Observar
Figura 2.4.5)
Figura 2.4.5 Aparato de ensayo de corte directo
En este momento se selecciona carga de confinamiento correspondiente a la muestra
que estemos ensayando. Existen tres tipos de fuerzas de confinamiento, cada una
asociada a una profundidad de suelo equivalente en la realidad. En la Figura 2.4.6 se
puede observar la relación entre los Kg necesarios para emular ciertos KPa. En nuestro
caso utilizaremos 1,4 Kg para emular 50 KPa, lo que equivaldría a una profundidad de
2,5 m. 2,8 Kg para emular 100 KPa, equivalentes a una profundidad de 5 m y 5,6 Kg
para emular una carga de 200 KPa, equivalentes a una profundidad de 10 m o más.
Estados de confinamiento
Carga de confinamiento (KPa)
Profundidad equivalente (m)
Carga aplicada (Kg)
50 2,5 1,4
100 5 2,8
200 10 5,6
Figura 2.4.6 Tabla de cargas de confinamiento
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
29 Jon Cuesta Jiménez
Una vez seleccionados los pesos correspondientes se procede a obtener los datos del
asentamiento del terreno con el ensayo del edómetro.
Esto consiste en colocar el sensor de desplazamiento vertical antes de colocar la carga
e iniciar la lectura de datos. Justo después se coloca la carga seleccionada y se mide el
asiento vertical. Los resultados de este ensayo se indican en la Figura 2.4.7, donde se
aprecia el asentamiento del terreno al aplicar el confinamiento vertical.
Figura 2.4.7 Resultados y grafico del ensayo del edómetro
Se debe dejar un espacio de tiempo relativo para que el suelo se asiente casi por
completo antes de proceder con la segunda parte del ensayo.
Para proceder con el ensayo de corte directo, es necesario retirar los tornillos que fijan
las dos partes del molde. En caso contrario al realizar en ensayo se estaría midiendo la
resistencia al corte de dichos tornillos y se podría llegar a dañar el aparato de ensayo.
Se coloca el sensor de desplazamiento horizontal y se inicia la obtención de datos. Para
empezar a aplicar desplazamiento a la sección inferior es necesario girar una manivela
a un ritmo constante. A este desplazamiento inferior se le opondrá la fuerza de fricción
de la sección superior, esta fuerza dividida por el área de rozamiento nos da como
resultado la tensión de corte de la muestra, indicándonos la interacción suelo refuerzo.
Los resultados del ensayo tienen una gráfica similar a la mostrada en la Figura 2.4.8,
donde se puede apreciar una tensión máxima de pico y posteriormente una tensión
remanente.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
30 Jon Cuesta Jiménez
Figura 2.4.8 Resultados y grafico del ensayo de corte directo
Una vez obtenidos los datos, se procede a retirar la muestra del aparato de corte y a
desmontarla y limpiarla para poder empezar con el siguiente ensayo.
2.5.- Resolución de incidencias
Debido al elevado numero de ensayos realizados, alguno de ellos puede haber sufrido
de algún error a la hora de aplicar la metodología explicada anteriormente. En caso de
haberse detectado este error, se ha procedido a descartar los datos obtenidos de la
muestra en cuestión y repetido con una copia nueva de la misma geometría.
Los principales síntomas para detectar estos errores han sido la comprobación del
refuerzo posterior al ensayo, donde se ha observado que no hubiera ninguna muesca
que indique que la muestra se ha atascado momentáneamente con el molde superior
de la probeta. Este fenómeno también se puede comprobar al obtener unos valores de
tensión máxima considerablemente más elevados que la media.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
31 Jon Cuesta Jiménez
3.- RESULTADOS:
Todos los datos obtenidos con los ensayos en el laboratorio se han clasificado y tratado
en un documento Excel donde se han realizado los cálculos pertinentes para adecuarlos
a un formato de graficas. Gracias a este formato gráfico se han podido desarrollar las
hipótesis explicadas más adelante.
3.1.- Adecuación de los resultados
Puesto que los resultados obtenidos han sido en forma de “carga (Kg) –
desplazamiento”, se ha tenido que convertir este dato en “tensión (KPa) –
desplazamiento” para poder realizar posteriores cálculos como el ángulo de rozamiento.
La conversión de esta carga a tensión consiste en multiplicar el valor por 9,81 para
obtener la fuerza en N y seguidamente dividir el valor por el área de la muestra sometida
al esfuerzo de corte para obtener la tensión en Pa. Por último, se divide este valor entre
1000 para disponer del valor en KPa.
Para obtener unos resultados reales es necesario tener en cuenta la perdida de
superficie sometida al esfuerzo cortante a medida que se incrementa el desplazamiento
de la probeta.
La pérdida de superficie en función del desplazamiento se ha calculado de manera
empírica con el programa AutoCAD, del cual se ha sacado la siguiente tabla (Figura
3.1.1):
Perdida de superficie (en %):
Estos cálculos han sido tenidos en cuenta a la hora de considerar la tensión (KPa) en
función del desplazamiento de la muestra.
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10 12
Sup
erfi
cie
(%)
Desplazamiento (mm)
Figura 3.1.1 Perdida de superficie en función del desplazamiento
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
32 Jon Cuesta Jiménez
3.2.- Resistencia de corte
En la Figura 3.2.1 se mostrarán los resultados de los ensayos de corte directo. En todas
las gráficas se pueden observar tres ensayos, todos de una misma geometría y ratio,
pero con distinta fuerza de confinamiento.
Figura 3.2.1 Gráfica tensión de corte muestra suelo (eje y) en función del desplazamiento (eje x)
En la anterior figura podemos observar el comportamiento de la tensión de corte de la
muestra en función del desplazamiento, con distintos estados de confinamiento. En este
caso en particular los resultados corresponden al ensayo sin geometría alguna, solo el
suelo. Debido a la disposición de las partículas del suelo, una vez superado el valor
máximo, la resistencia remanente disminuye notablemente. Este fenómeno se ha
explicado anteriormente en el apartado 1.5.
A continuación, en las Figuras 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4, 3.2.5 y 3.2.6 se mostrarán los
resultados de las distintas geometrías seleccionadas. En todas se ha seleccionado el
coeficiente de superficie de 0,4 para poder hacer una comparación con la menor
cantidad de variables.
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
450,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00
Ten
sió
n d
e C
ort
e (K
Pa)
Desplazamiento (mm)
50 KPa
100 KPa
200 KPa
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
33 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.2.2 Gráfica tensión de corte muestra C-0.4 (eje y) en función del desplazamiento (eje x)
A primera vista se puede apreciar que en las gráficas generadas con ensayos que
comprenden una interacción suelo-refuerzo, los resultados no son similares a los
obtenidos por la interacción suelo-suelo. Se supone que esto se debe a que el efecto
que produce la dilatancia de la muestra con refuerzo es muy inferior al que se produce
solo con el suelo. Es por ese motivo que se justifica que en la mayoría de los casos no
aparezca una resistencia pico y una remanente.
Figura 3.2.3 Gráfica tensión de corte muestra R1-0.4 (eje y) en función del desplazamiento (eje x)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2 4 6 8 10 12
Ten
sió
n d
e C
ort
e (K
Pa)
Desplazamiento (mm)
50 KPa
100 KPa
200 KPa
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10 12
Ten
sió
n d
e C
ort
e (K
Pa)
Desplazamiento (mm)
50 KPa
100 KPa
200 KPa
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
34 Jon Cuesta Jiménez
En la grafica anterior se muestran los resultados del ensayo de la geometría rectangular
con la arista superior paralela al eje de corte. No se aprecian variaciones significativas
respecto a la geometría circular mostrada en la Figura 3.2.2.
Figura 3.2.4 Gráfica tensión de corte muestra R2-0.4 (eje y) en función del desplazamiento (eje x)
Se prosigue con los resultados de los ensayos de la geometría rectangular con la arista
superior perpendicular al eje de corte. En esta gráfica se observa una pequeña
imperfección en el tramo final de cada estado de confinamiento, esto se debe a un error
humano a la hora de realizar el ensayo donde el sensor de desplazamiento longitudinal
no alcanzo a registrar el tramo final. Este error no afecta a los cálculos posteriores
puesto que registra de igual manera el valor máximo de tensión de corte necesario para
obtener el ángulo de rozamiento.
Figura 3.2.5 Gráfica tensión de corte muestra T1-0.4 (eje y) en función del desplazamiento (eje x)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2 4 6 8 10 12
Ten
sió
n d
e C
ort
e (K
Pa)
Desplazamiento (mm)
50 KPa
100 KPa
200 KPa
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2 4 6 8 10 12
Ten
sió
n d
e C
ort
e(K
Pa)
Desplazamiento (mm)
50 KPa
100 KPa
200 KPa
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
35 Jon Cuesta Jiménez
Alguna de las gráficas como la anterior (que representa los resultados de la geometría
triangular con un vértice en el sentido de corte) presentan peculiaridades como se
aprecia en el caso del estado de confinamiento de 100 KPa donde la trayectoria sufre
una recesión antes de volver al comportamiento esperado. Se intuye que este fenómeno
es producido por una realización demasiado rápida del ensayo en cuestión. De todas
formas, los resultados iniciales son los menos relevantes, por lo que no se consideró la
repetición del ensayo.
Figura 3.2.6 Gráfica tensión de corte muestra T2-0.4 (eje y) en función del desplazamiento (eje x)
Por último, se muestra la geometría triangular con una arista en el sentido del eje de
corte. En estos ensayos se vuelve a apreciar un comportamiento normalizado como en
las geometrías circular y rectangular 1.
En este apartado se han mostrado solamente los resultados de las geometrías con un
coeficiente de superficie de 0,4. El resto de las gráficas generadas se encuentran en el
Anejo 1.
Es difícil sacar conclusiones sobre el desempeño de cada geometría basándose solo en
los resultados organizados en el formato de las figuras anteriores. Para poder empezar
a realizar conclusiones es necesario aislar y agrupar los valores más relevantes de cada
ensayo. Los valores principales a tener en cuenta son la tensión máxima (de pico) y la
fuerza remanente.
A continuación, en la Figura 3.2.7, la Figura 3.2.8 y la Figura 3.2.9 se detallan los valores
de resistencia al corte máximos de cada ensayo:
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2 4 6 8 10 12
Ten
sió
n d
e C
ort
e(K
Pa)
Desplazamiento (mm)
50 KPa
100 KPa
200 KPa
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
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36 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.2.7 Gráfica con los valores máximos de tensión de corte de cada geometría con una fuerza de confinamiento de 50 KPa
En la anterior gráfica podemos observar que el valor de tensión de corte máxima se
obtiene en el ensayo sin refuerzo, esto se debe a que la interacción suelo-suelo es
superior a la interacción suelo-refuerzo. Esto ocurre con todos los estados de
confinamiento.
Al fijarse en el resto de las geometrías, podemos observar que existe una tendencia
favorable hacia los coeficientes de superficie más elevados (exceptuando la geometría
C-0.1). Esto podría deberse a la mayor interacción suelo-suelo, o a otros factores
como la mayor facilidad de que se produzca el atasco de algún árido con la geometría
del refuerzo.
Figura 3.2.8 Tabla y gráfica con los valores máximos de tensión de corte de cada geometría con una fuerza de confinamiento de 100 KPa
La gráfica correspondiente a una fuerza de confinamiento de 100 KPa muestra unos
resultados similares, predominando los valores más elevados en las geometrías de ratio
0.4.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
SA
Suel
o
C-0
,1
C-0
,25
C-0
,4
R1
-0,1
R1
-0,2
5
R1
-0,4
R2
-0,1
R2
-0,2
5
R2
-0,4
T1-0
,1
T1-0
,25
T1-0
,4
T2-0
,1
T2-0
,25
T2-0
,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
0
50
100
150
200
250
SA
Suel
o
C-0
,1
C-0
,25
C-0
,4
R1
-0,1
R1
-0,2
5
R1
-0,4
R2
-0,1
R2
-0,2
5
R2
-0,4
T1-0
,1
T1-0
,25
T1-0
,4
T2-0
,1
T2-0
,25
T2-0
,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
37 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.2.9 Tabla y gráfica con los valores máximos de tensión de corte de cada geometría con una fuerza de confinamiento de 200 KPa
Por último, en el estado de confinamiento mayor los datos se vuelven menos
consistentes, y existe una mayor dispersión de los resultados. La causa de esta
inconsistencia podría deberse a que la probeta de estos ensayos requiere un mayor
desplazamiento para llegar al valor de resistencia máximo. Como consecuencia hay mas
probabilidades de que los áridos de atasquen con el refuerzo pese a ser la geometría
de un tamaño inferior.
3.3.- Angulo de rozamiento
El ángulo de rozamiento de la interacción suelo-refuerzo es el valor objetivo final de los
ensayos realizados y el que nos va a ayudar a decidir cual de las muestras es la mas
eficiente.
Una vez obtenidos los valores de tensión de corte máxima de cada geometría se ha
procedido a obtener su ángulo de rozamiento. Para ello se han elaborado otras gráficas
agrupando los valores de tensión máximos de cada geometría en función de la tensión
normal aplicada. (Observar Figura 3.3.1)
Figura 3.3.1 Grafica de tensión de corte máxima (eje y) en función de la tensión normal aplicada (eje x)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
SA
Suel
o
C-0
,1
C-0
,25
C-0
,4
R1
-0,1
R1
-0,2
5
R1
-0,4
R2
-0,1
R2
-0,2
5
R2
-0,4
T1-0
,1
T1-0
,25
T1-0
,4
T2-0
,1
T2-0
,25
T2-0
,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
0 50 100 150 200 250
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
ax. (
KP
a)
Tensión Normal Aplicada (KPa)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
38 Jon Cuesta Jiménez
El valor del ángulo de rozamiento coincide con la pendiente de esta gráfica y se ha
calculado de la siguiente forma:
Á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = tan−1 ((𝑓(200) − 𝑓(50))
200 − 50)
En este caso en particular el ángulo de rozamiento es de 54,5.
Para poder comparar los ángulos de rozamiento entre si se ha generado un coeficiente
al que llamaremos Coeficiente de rozamiento:
𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎
𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜
Dado que el ángulo de rozamiento obtenido en el ensayo sin refuerzo es el más elevado
de todos, el valor del coeficiente siempre será inferior a 1. La geometría ideal para un
refuerzo será aquella la cual el valor de su coeficiente de rozamiento sea lo más próximo
a 1 posible.
A continuación, en la Figura 3.3.2 se presentan coeficientes de rozamiento de todas las
geometrías:
Figura 3.3.2 Tabla y gráfica comparando los coeficientes de rozamiento de cada una de las geometrías
A la hora de valorar los resultados, debemos fijarnos en las geometrías que hayan
obtenido el ratio más elevado pues serán las que aporten una mayor interacción suelo-
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
39 Jon Cuesta Jiménez
refuerzo. Este parámetro es el objetivo final de la tesis, puesto que es el protagonista en
la verificación al arranque de los refuerzos explicada anteriormente en el apartado 1.5.
También se puede observar que este valor es independiente a la fuerza de
confinamiento.
3.4.- Comparación entre muestras
Para poder alcanzar una conclusión lo mas acertada posible, es necesario dividir las
muestras en grupos según su geometría, ratio agujero refuerzo y cargas de
confinamiento. En todas las comparaciones se mostrarán tanto los valores de tensión
máxima de corte como los ratios de los ángulos de rozamiento. Estos gráficos son los
que se utilizaran en el siguiente apartado para elaborar las hipótesis y las conclusiones
del estudio.
3.4.1- Misma geometría:
A continuación, en las Figuras 3.4.1.1, 3.4.1.2, 3.4.1.3, 3.4.1.4, 3.4.1.5 y 3.4.1.6 se
mostrarán los resultados agrupados dentro de la misma geometría, pero con distintos
ratios de Agujero-Refuerzo y estados de confinamiento.
Figura 3.4.1.1 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de la geometría circular
La comparación de muestras agrupadas por geometrías nos permite centrarnos en el
efecto que tienen los distintos coeficientes de superficie. En esta primera geometría ya
podemos apreciar que un mayor coeficiente de superficie obtiene mayores tensiones
máximas de corte.
0
50
100
150
200
250
300
350
C-0,1 C-0,25 C-0,4 C-0,1 C-0,25 C-0,4 C-0,1 C-0,25 C-0,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
40 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.4.1.2 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de la geometría rectangular paralela al eje de corte
No siempre se confirman las hipótesis, en esta gráfica podemos observar que los
resultados no siguen el patrón de la anterior. Esto podría ser debido al cambió de
geometría, pero no se ha realizado un numero suficiente de ensayos para corroborar
dicha afirmación.
Figura 3.4.1.3 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de la geometría rectangular perpendicular al eje de corte
Los resultados de esta segunda gráfica confirman la disparidad de resultados incluso
en una geometría tan similar a la anterior.
0
50
100
150
200
250
300
R1-0,1 R1-0,25 R1-0,4 R1-0,1 R1-0,25 R1-0,4 R1-0,1 R1-0,25 R1-0,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
0
50
100
150
200
250
300
350
R2-0,1 R2-0,25 R2-0,4 R2-0,1 R2-0,25 R2-0,4 R2-0,1 R2-0,25 R2-0,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
41 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.4.1.4 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de la geometría triangular
Sin embargo, en las geometrías triangulares los resultados se vuelven mucho más
estables, aportando solidez a la primera hipótesis de que, a mayor tamaño del agujero,
mayores tensiones de corte se obtienen.
Figura 3.4.1.5 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de la geometría triangular
A continuación, se presentan las gráficas que relacionan los coeficientes de los
ángulos de rozamiento de cada una de las geometrías. Este valor es aún más
relevante que la tensión máxima de corte, ya que el ángulo de rozamiento es el
principal factor a la hora de estudiar la interacción suelo-refuerzo.
0
50
100
150
200
250
300
350
T1-0,1 T1-0,25 T1-0,4 T1-0,1 T1-0,25 T1-0,4 T1-0,1 T1-0,25 T1-0,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
0
50
100
150
200
250
300
350
T2-0,1 T2-0,25 T2-0,4 T2-0,1 T2-0,25 T2-0,4 T2-0,1 T2-0,25 T2-0,4
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
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42 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.4.1.6 Comparación del coeficiente del ángulo de rozamiento agrupado por geometría
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
C-0,1 C-0,25 C-0,4
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
R1-0,1 R1-0,25 R1-0,4
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
R2-0,1 R2-0,25 R2-0,4
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
T1-0,1 T1-0,25 T1-0,4
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
T2-0,1 T2-0,25 T2-0,4
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
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43 Jon Cuesta Jiménez
Como se ha observado en las gráficas que comparan las tensiones de corte máximas
de cada geometría, en estas últimas se puede estudiar se puede estudiar de igual
manera el comportamiento de la variación de la superficie del agujero de cada
geometría. Solo que en este caso se compara el ángulo de rozamiento. De estos
resultados conviene estimar si el aumento de dicha superficie es favorable o
contraproducente a la hora de buscar un ángulo de rozamiento elevado.
Se puede apreciar que en cada geometría la relación entre el aumento del coeficiente
de superficie y el ángulo de rozamiento es diferente, por lo que no se puede definir si es
favorable o desfavorable.
3.4.2- Misma superficie:
En este caso los resultados se agruparán en función de su ratio Agujero-Refuerzo,
diferenciando su geometría y su estado de confinamiento. Observar las Figuras 3.4.2.1,
3.4.2.2, 3.4.2.3 y 3.4.2.4.
Figura 3.4.2.1 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de los ratios de superficie 0,1
La agrupación de resultados por coeficientes de superficie nos ayuda a comprender la
influencia que tiene la propia geometría. En esta primera grafica se pueden apreciar
todos los ensayos de cada geometría con un ratio de 0.1, con los tres estados de
confinamiento. De las tres gráficas, esta seria la menos interesante puesto que en el
apartado anterior hemos supuesto que un coeficiente de superficie mayor obtiene
mejores resultados en cuanto a tensión máxima de corte.
0
50
100
150
200
250
300
350
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
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44 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.4.2.2 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de los ratios de superficie 0,25
Al observar las tensiones obtenidas con un tamaño de agujero superior se podría
deducir que salvo por el ensayo R2-0.25 con un confinamiento de 200KPa, la
geometría que peor resultados ha obtenido es la rectangular, tanto en sentido paralelo
como perpendicular al eje de corte.
Figura 3.4.2.3 Comparación de los valores de tensión de corte máximos de los ratios de superficie 0,4
Por último, en la gráfica anterior se muestran los resultados de los ensayos de mayor
coeficiente de superficie. Parece que las geometrías que mejores resultados obtienen
son la R2 (rectangular perpendicular al eje de corte) y la T1 (triangular con el vértice en
apuntando en la misma dirección que la fuerza cortante).
0
50
100
150
200
250
300
350
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
0
50
100
150
200
250
300
350
Ten
sió
n d
e C
ort
e M
áxim
a (K
Pa)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
45 Jon Cuesta Jiménez
Siguiendo la estructura del apartado anterior en último lugar se muestran en la Figura
3.4.2.4 los resultados de los coeficientes de rozamiento agrupados de igual manera
por coeficientes de superficie.
Al tratarse del factor predominante al analizar la interacción suelo refuerzo, estos
serán los datos que se tendrán en cuenta a la hora de proponer una geometría en las
conclusiones de la tesis.
Figura 3.4.2.4 Comparación del coeficiente del ángulo de rozamiento agrupado por ratio de la superficie del agujero
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
C-0,1 R1-0,1 R2-0,1 T1-0,1 T2-0,1
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
C-0,25 R1-0,25 R2-0,25 T1-0,25 T2-0,25
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
C-0,4 R1-0,4 R2-0,4 T1-0,4 T2-0,4
Co
efic
ien
te d
e ro
zam
ien
to
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
46 Jon Cuesta Jiménez
Al observar las anteriores gráficas se identifica que la geometría R2 (rectangular paralela
al eje de corte) es la que obtiene mejores resultados en dos de los tres coeficientes de
superficie. Además, lo hace en los dos con mayor tamaño de agujero, que como se ha
comentado anteriormente son los que tienden a aportan una mayor interacción suelo-
refuerzo. Esto la convierte en una muy buena candidata para resultar siendo la tipología
de geometría recomendada.
Cabe destacar también la constancia de las dos geometrías triangulares ya que obtienen
buenos resultados en todos los coeficientes de superficie.
A continuación, se muestra en la Figura 3.4.2.5 un resumen de todos los datos obtenidos
en la realización de los ensayos:
Geometría Tensión de corte Max. (KPa) Coeficiente de
rozamiento 50Kpa 100Kpa 200Kpa
S.A. 73,08 139,51 226,83 0,731
Suelo 134,69 202,71 422,32 1
C-0,1 99,97 126,01 171,34 0,407
C-0,25 87,63 150,62 289,94 0,855
C-0,4 89,19 177,76 310,42 0,894
R1-0,1 66,8 132,41 262,63 0,841
R1-0,25 93,41 98,75 217,89 0,635
R1-0,4 83,54 137,38 264,77 0,806
R2-0,1 98,07 148,77 234,93 0,678
R2-0,25 64,01 126,24 332,46 0,973
R2-0,4 92,73 158,77 327,95 0,92
T1-0,1 70,97 133,59 265,96 0,839
T1-0,25 82,65 145,06 288,77 0,863
T1-0,4 109,01 179,52 332,24 0,898
T2-0,1 69,86 156,14 311,94 0,931
T2-0,25 93,3 163,55 287,54 0,837
T2-0,4 94,24 163,39 304,48 0,872
Figura 3.4.2.5 Tabla resumen de todos los datos obtenidos en los ensayos
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
47 Jon Cuesta Jiménez
3.5.- Dilatancia
Como ya se ha explicado en el apartado 1.5 la dilatancia es una propiedad de los
materiales utilizada frecuentemente para describir el incremento de volumen de un
material granular frente a un esfuerzo cortante.
Aunque este valor no influya en el ángulo de rozamiento, sigue siendo un valor
importante y se ha considerado oportuno estudiarlo debidamente. Puesto que el
aparato de ensayo de corte directo dispone de un sensor que mide en todo
momento el desplazamiento vertical, podemos extraer de los mismos ensayos
realizados para calcular la tensión cortante, la variación del desplazamiento
vertical en función del desplazamiento longitudinal.
Siguiendo el formato que se ha utilizado para realizar las gráficas de la tensión
de corte, se han elaborado las siguientes figuras (observar como ejemplo la
Figura 3.5.1)
Figura 3.5.1 Gráfica desplazamiento vertical de la muestra suelo (eje y) en función del desplazamiento horizontal (eje x)
Esta primera gráfica muestra el efecto de la dilatancia en un ensayo realizado sin ningún
refuerzo. Por ese motivo se puede aprecia claramente el desplazamiento vertical que
sufre el terreno en el momento en que llega a su tensión de corte máxima. La correlación
entre la tensión máxima de corte y el efecto de la dilatancia se puede comprobar con la
ayuda de la comparación de las dos siguientes graficas de la Figura 3.5.2.
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 2 4 6 8 10 12
Des
pla
zam
ien
to v
erti
cal (
mm
)
Desplazamiento horizontal (mm)
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
48 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.5.2 Comparación de la relación entre la dilatancia y la tensión de corte máxima del suelo
Este no es el caso del resto de geometrías, donde este efecto se produce en menor
medida debido al que el propio refuerzo polimérico no favorece este fenómeno. A
continuación, se mostrará en las Figuras 3.5.3 y 3.5.4 ejemplos de cómo se comporta el
terreno en este aspecto cuando interacciona con un refuerzo.
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
450,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00
Ten
sió
n d
e C
ort
e (K
Pa)
Desplazamiento (mm)
50 KPa
100 KPa
200 KPa
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 2 4 6 8 10 12
Des
pla
zam
ien
to v
erti
cal (
mm
)
Desplazamiento horizontal (mm)
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
49 Jon Cuesta Jiménez
Figura 3.5.3 Gráfica desplazamiento vertical de la muestra C-0.4 (eje y) en función del desplazamiento horizontal (eje x)
Figura 3.5.4 Gráfica desplazamiento vertical de la muestra R1-0.4 (eje y) en función del desplazamiento horizontal (eje x)
Como se puede observar a simple vista al prestarle atención a la pendiente de las gráficas, el valor de dilatancia es bastante inferior en los ensayos realizados con un refuerzo. No se ha considerado necesario añadir más ejemplos en este apartado puesto que no hay variaciones significativas entre las distintas geometrías. Las gráficas correspondientes al resto de geometrías se encuentran en el Anejo 1.
La única tendencia observada respecto a esta variable es el desplazamiento vertical tiende a ser ligeramente superior en las muestras con coeficientes de superficie más
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0 2 4 6 8 10 12
Des
pla
zam
ien
to v
erti
cal (
mm
)
Desplazamiento horizontal (mm)
50 kPa (z ≈ 2.5 m)100 kPa
(z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
-0,18
-0,16
-0,14
-0,12
-0,1
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0
0,02
0,04
0 2 4 6 8 10 12
Des
pla
zam
ien
to v
erti
cal (
mm
)
Desplazamiento horizontal (mm)
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
50 Jon Cuesta Jiménez
elevados. La hipótesis más probable que explique este comportamiento es que en la superficie del agujero de las muestras, si se produce cierto efecto de dilatancia debido a que se trata de una interacción suelo-suelo, por lo tanto, es normal que dicho fenómeno sea directamente proporcional al tamaño del agujero. Para poder observar el razonamiento de esta última teoría se muestra a continuación la comparación entre la muestra sin geometría alguna y la geometría T2-0,4 en la Figura 3.5.5.
Figura 3.5.5 Comparación entre el desplazamiento vertical de la muestra sin geometría (arriba) y la muestra T2-0.4 (abajo)
Como se aprecia en las geometrías anteriores, la pendiente de la variación vertical de la muestra sin geometría varia entre 0,005 y 0,015 mientras que la pendiente de la geometría T2-0.4 alcanza valores de 0,07.
Otro factor a tener en cuenta es que, en la mayoría de las geometrías, los ensayos
realizados con una carga de confinamiento de 200 KPa experimentan un efecto de
-0,16
-0,14
-0,12
-0,1
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
0
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00
Des
pla
zam
ien
to v
erti
cal (
mm
)
Desplazamiento horizontal (mm)
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0 2 4 6 8 10 12
Des
pla
zam
ien
to v
erti
cal (
mm
)
Desplazamiento horizontal (mm)
50 kPa (z ≈ 2.5 m)
200 kPa (z ≈ 10 m)
100 kPa (z ≈ 5 m)
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
51 Jon Cuesta Jiménez
dilatancia mucho menor a los ensayos de menor confinamiento. Casi todos los
ensayos realizados con un confinamiento de 50 KPa acaban con un desplazamiento
vertical superior a 0.
Todos los patrones descritos anteriormente se repiten en el resto de las geometrías, cuyas graficas se encuentran en el Anejo 1.
Pese a que el valor del desplazamiento vertical no afecte directamente al ángulo de
rozamiento que se ha considerado como factor principal para seleccionar una
geometría, sí que afecta indirectamente a la tensión de corte mediante el fenómeno de
la dilatancia.
Para que un suelo experimente un desplazamiento vertical al forzarle a realizar un
desplazamiento horizontal, es necesario que genere una tensión de corte superior ya
que dicho desplazamiento vertical debe oponerse a las fuerzas de confinamiento.
Por ese motivo se genera una tensión máxima de corte de pico en los ensayos con solo
suelo, y no en el caso de los ensayos suelo-refuerzo. La falta de este pico repercute en
una menor tensión de corte máxima.
En lo que a selección de geometría se refiere esta consideración no influye puesto que
no hay ninguna variación de dilatancia entre las distintas geometrías.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
52 Jon Cuesta Jiménez
4.- CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS:
Después de haber analizado los datos obtenidos de los ensayos de corte directo, se han
observado ciertas consideraciones que pueden condicionar el estudio en sí.
La primera es que el valor del ángulo de rozamiento en una interacción suelo-refuerzo
es complejo, ya que puede variar en función de muchas variables que están fuera de
nuestro control, como por ejemplo que una piedra de grava se quede atascada en el
agujero del refuerzo o que la compactación del suelo no sea siempre idéntica. Todas
estas variables se intentan minimizar lo máximo posible en el laboratorio, pero incluso
en un espacio tan controlado es imposible evitarlas completamente.
La segunda de estas consideraciones es tener en cuenta que el número de ensayos
realizados no es suficientemente amplio como para garantizar la validez de las hipótesis
obtenidas.
Los efectos de estas imperfecciones se pueden apreciar en los siguientes resultados:
Si observamos la tabla de la Figura 3.3.2 podemos observar que la geometría que
obtiene el ratio x más elevado es la R2-0.25. El problema viene al estudiar el resto de
las geometrías y comparar sus distintas agrupaciones.
A la hora de comparar los refuerzos agrupados por geometrías, observamos que no hay
una tendencia clara a si una mayor superficie de agujero genera mejores o peores
resultados, ya que en cada geometría los datos se comportan de forma diferente. Por
ejemplo, en la geometría Triangular 1 observamos que el ratio de superficie 0,4 es el
que obtiene un mayor coeficiente del ángulo de rozamiento mientras que en la geometría
Triangular 2, es el ratio más pequeño 0,1 en que obtiene el más alto. (observar Figura
3.4.1.6)
Una situación similar ocurre cuando agrupamos los refuerzos por superficie de agujero:
Por estos motivos no se debe tomar como válida ninguna de las afirmaciones que se
expondrán a continuación.
4.1.- Selección final en caso de resultados concluyentes.
Teniendo en consideración lo mencionado en el apartado anterior, podemos apreciar
ciertos comportamientos que analizados de forma racional tiene bastante sentido.
Uno de ellos es que en casi todos los ratios de superficie, la geometría Rectangular 2
obtiene mejores resultados que la geometría Rectangular 1. Esto se podría deber a que
al ser la arista de mayor longitud la que se encuentre perpendicular al eje de corte, haya
un mayor espacio donde los áridos del suelo puedan atascarse con el refuerzo,
aumentando así la interacción entre ambos.
El único inconveniente de este caso en una aplicación real seria la pedida de sección
del refuerzo en las zonas donde se encuentre el agujero, puesto que, si la geometría es
relativamente grande, el refuerzo perdería mucha resistencia a tracción. Esto podría
tener como consecuencia que el sistema falle por rotura interna de los refuerzos, en vez
de por arranque de estos.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
53 Jon Cuesta Jiménez
Otra hipótesis según los datos obtenidos consistiría en descartar las geometrías
circulares, puesto que son las que peores resultados han dado. Esta afirmación es
cuestionable debido a que la mayoría de los refuerzos poliméricos aligerados con
geometrías que se usan actualmente tienen una forma con tendencia ovalada, como se
muestra en la Figura 4.1.1. Pero basándonos en los ensayos realizados en este trabajo
no se propondría esta solución.
Figura 4.1.1 Refuerzo polimérico aligerado con geometría ovalada. (Fuente: GECO Industrial Co.)
Como propuesta final, y basándose en todo lo anteriormente mencionado, se propone
la geometría R2-0.25. La cual ha obtenido los mejores resultados de entre todas las
demás muestras y debido a que el coeficiente agujero-superficie no es demasiado
elevado, se considera que la perdida de resistencia a tracción del refuerzo es aceptable.
4.2.- Desarrollo de conclusiones y futuras líneas de investigación.
De cara a futuros trabajos futuros seria interesante poder repetir los ensayos un mayor
número de veces para poder obtener valores mas fiables con los cuales demostrar o
refutar las hipótesis mencionadas.
También seria interesante poder ensayar las diferentes geometrías en refuerzos enteros
con el ensayo Pull-Out. En este caso se podrían obtener resultados mucho más
cercanos a la realidad que indicarían el desempeño real de estas soluciones en un muro
de suelo reforzado.
Al estar estudiando una solución constructiva relativamente moderna, las innovaciones
en los elementos que la componen son prácticamente constantes, por lo que futuras
investigaciones ya sea con las propuestas aportadas en este trabajo u otras similares
siempre tienen un gran potencial de encontrar algún día aplicaciones en soluciones de
ingeniería reales.
ANÁLISIS DE LA FRICCIÓN CON EL TERRENO DE REFUERZOS POLIMÉRICOS VARIANDO SU GEOMETRÍA
54 Jon Cuesta Jiménez
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
ASTM D5321 (2008)_Direct Shear Tests_soil-reinforcement
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UNITEC Investigación Sobre La Resistencia Al Corte De Suelos
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