Distribución de presión hidrostática (r= radio del menisco)
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Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 90
r =0.1 cmhc= 1.5 cm
r =0.002 cmhc= 74 cm
r =0.02 cmhc= 7.4 cm
(r= radio del menisco)Distribución depresión hidrostática
hc 2r
α
α=ángulo de contacto
-
+
- hc γwua
uw1
ua>uw1uw1
uw2
uw2
Figura 2.1-a) Ascensión de agua por capilaridad dentro de un tubo de pequeño radio. b)- Ascensión capilar en función del radio del menisco de la interfase agua-aire.
N.F.hSat
hCapilar
Suelo seco
1 e
Sólid
o
Agu
aA
ire
Sr=1
Sr<1
Figura 2.2-Diagrama de fases del suelo para una arena en la zona de ascensión capilar.
91 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
a)
b)
c)
uv < uv0
uv < uv0
Sitema de referencia
uv
uv0
Agua pura
uv0
Agua del suelo
Sitema de referencia
uv
Agua del suelo
Sitema de referencia
Agua pura
uv0
uv < uv0
Agua del suelo
uv
Agua del suelo
Succión matricial(ua-uw)
Succión osmótica(π)
Succión Total(ψ) = (ua-uw) + (π)
Presión parcial de vapor de agua
uauw
HR = uv/uv0
Figura 2.3- Succión total y sus componentes. a)-Componente matricial. b)-Componente osmótica. c)- Succión total.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 92
Presión de aireua
Presión de aguauw
ua
uwφcaract
Elemento separador
ua > uw
* DISCO CERÁMICO
* MEMBRANA DE ACETATO
Sr=1
Figura 2.4- Esquema del funcionamiento de un elemento separador utilizado en la técnica de control de succión por traslación de ejes.
Figura 2.5- Membranas de acetato utilizadas como elemento separador en la técnica de traslación de ejes.
93 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Piedra cerámicaAVEA: 1.0 MPa
1.5 MPa
3.0 MPaCirculación de agua bajo la piedrapara
evacuar burbujas de aire
Figura 2.6- Piedras porosas utilizadas para la técnica de traslación de ejes y base metálica para su “instalación”.
Aplicamos ∆(ua-uw)
Presión de agua: uw
Presión de aire: ua
Secado Mojado
Suelo
Medido de volumen de agua
Sr=1
uw
Atrapador de
burbujas Figura 2.7- Esquema del funcionamiento de la técnica de traslación de ejes para el control de la succión aplicada sobre la muestra.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 94
1 10 100 1000
Tiempo, [min]
0
2
4
6
8
Vol
umen
[ml]
Presión de agua: uw
Presión de aire: ua
Volumen de agua= 7 ml
Presión de agua: uw
Presión de aire: ua
Volumen de agua= 3 ml
Presión de agua: uw
Presión de aire: ua
Volumen de agua= 1 ml
(1) (2) (3)
(3)
(2)
(1)
1 10 100 1000
Tiempo, [min]
0
2
4
6
8
Vol
umen
[ml]
Presión de agua: uw
Presión de aire: ua
Volumen de agua= 7 ml
Presión de agua: uw
Presión de aire: ua
Volumen de agua= 3 ml
Presión de agua: uw
Presión de aire: ua
Volumen de agua= 1 ml
(1) (2) (3)
(3)
(2)
(1)
7 ml
Figura 2.8- Verificación del funcionamiento de la técnica de traslación de ejes.
95 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Solución acuosa(salina/ácida)
Higrómetro
HR(%)Vcte
VlibreCélu la de Vcte
Células de Vcte Vlibre
Figura 2.9- Aplicación de la técnica de transferencia de vapor por difusión.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 96
A B
Bomba de aire
Piedra porosa
Suelo
Higrómetro
HR(%)
Solución acuosa(salina/ácida)
A y B: Abiertas = Circulación por los contronos
A y B: Cerradas = Circulación atravesando la muestra
Figura 2.10- Aplicación de la técnica de transferencia de vapor por convección forzada.
97 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
15
16
17
18
19
20
21
22
23
18 19 20 21 22 23 24Temperatura (ºC)
Pre
sión
de
vapo
r (m
m H
g)
hr = 94%(Ts=22.5ºC)
Presión de vapor
de control (Tc=22ºC)
hr = 100%(Ts=19.5ºC)
hr = 97%(Ts=22ºC)
Agua pura Solución saturada de CuSO4
Figura 2.11- Variación de la presión de vapor con la temperatura para el caso de una solución saturada de sulfato de cobre CuSO4.
Figura 2.12- Densímetros de flotación utilizados para el control de la concentración de las soluciones de ácido sulfúrico.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 98
Succión controlada por H2SO4
100
105
110
115
120
125
130
135
140
145
150
1.350 1.355 1.360 1.365 1.370 1.375 1.380 1.385 1.390 1.395 1.400 1.405
Densidad del H2SO4 (Mg/m3)
Suc
ción (
MP
a)
21ºC22ºC23ºC
Figura 2.13- Succión aplicada utilizando la técnica de transferencia de vapor, para el caso de soluciones acuosas de ácido sulfúrico (H2SO4) en función de la densidad de la solución.
Th Ts
SueloAGUA PURA
Figura 2.14- Esquema y vista de uno de los sensores de un psicrómetro de transistores. Woodburn, J.A. 1995.
99 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
a) b)
c) d)
Figura 2.15- Equipo utilizado para medir la succión, psicrómetro de transistores tipo SMI. a)- Equipo. b)- Sensor. c)- Portamuestras. d)- Muestra analizada.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 100
CARGAVERTICAL
Piedra porosa
Base
Anillo portamuestras
Suelo
Cabezal de carga
Agua de inundación
Figura 2.16- Célula edométrica convencional.
Figura 2.17- Célula edométrica convencional.
101 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Bureta graduara(+/- 20 mm3)
CELULA EDOMÉTRICA CONVENCIONAL
Control del def. vert. 0.02 mm
10:1
11:19:1
Soporte para colocar pesas
10 x F1
F1
Figura 2.18- Edómetro de palanca utilizado en la aplicación de carga en ensayos realizados con las células edométricas convencionales.
Figura 2.19- Célula edométrica con control de succión (UPC, 2002).
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 102
Carga vertical
2pa = σVert
HR (%)Controlada
A
B
HR (%)Controlada
Presión de aireua
Presión de aguauw
ua
C
uw
BASE III
Disco cerámicoAVEA: 1.5 MPa
Disco porosometálico
ua
Deformación vertical
+/- 5 µm
BASE IIBASE IDisco cerámicoAVEA: 1.5 MPa
Disco porosometálico
Disco Mixto
Área 2:1
Transferencia de vapor
Traslación de ejes
Figura 2.20- Esquema de célula edométrica con control de succión (UPC, 2002).
103 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Base
Anillo portamuestras
Cuerpo central
Parte superior
Marco rígido
Figura 2.21- Partes de la célula edométrica con control de succión (UPC, 2002).
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 104
Flujo con HR controlada
Base I
Base II Base III
DISCO A.V.E.A DISCO MIXTO
aire
agua
aire
Marco rígido
Micrómetro
Plato de base
Figura 2.22- Célula edométrica con control de succión. Base apoya muestra, marco rígido y diferentes bases para la aplicación de las distintas técnicas de control de succión
105 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Anillo portamuestra
20 mm
50 mm
Figura 2.23- Anillo porta muestras con muestra compactada.
Cuerpo central
Circulacion con aire(Entrada)
(trasnferencia de vapor)
Presión de aire
(Traslación de ejes)
(Salida)
Figura 2.24- Cuerpo central del equipo. Conexiones para realizar diferentes tipos de ensayos.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 106
Piston de carga
Tapa edómetro
Tapa edómetro
Medida de presión de aire
Presión de aire
Membrana
Figura 2.25- Parte superior. Tapa y pistón de carga.
107 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
LVDT
Figura 2.26- Marco rígido para fijar el sistema de medida de deformación vertical (Micrómetro o LVDT).
Figura 2.27- Edómetro con control de la succión y dispositivos auxiliares para aplicar la traslación de ejes.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 108
A B
C D
A B
C D
Celula de carga
Base con piedraporosa intercambiable( metálica/cerámica AVEA)
Cabezal
Anillo portamuestraΦ= 50 mm, H=20 mm
Cuerpo superior
Figura 2.28- Célula edométrica de volumen constante con control de la tensión vertical.
Célula de carga
Cabezal
Cabezal
Anillo porta muestraΦ= 50 mm, H=20 mm
Base con piedra porosa intercambiable( metálica/cerámica AVEA)
Cuerpo superior
Cuerpo superior Célula de carga
Pieza de ajuste
Figura 2.29- Célula edométrica de volumen constante. Detalle de las piezas.
109 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Célula de carga
Instrument Division
STRAIN INDICATOR BOXP-3500
2 V
R=120 Ω
Vout
2 V
R=120 Ω
Vout
Figura 2.30- Esquema de la célula de carga utilizada para la medida de la presión de hinchamiento vertical.
Medida de la presión de hinchamiento vertical
FLEXIÓN
Figura 2.31- Esquema de funcionamiento de la célula de carga.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 110
Piedra porosa metálica
BASE
TAPA
Pistón de carga
Patm
Patm
PVERTICAL
PVERTICAL
Cámara de presión
Alimentación y lectura delanillo de tensión lateral
Medida de la presión de cámara
SUELO
Tóricas
Anillo instrumentadoVer det. Figura 3.9
BLOQUEO DEL PISTON DE CARGA
Circulación con aire de HR controlada
Inyección de agua/vapor
Sellado con silicona
Galgas
Figura 2.32- Edómetro con anillo semirígido instrumentado para el control de la tensión lateral.
BASE
TAPA YPISTON DE CARGA CUERPO
CENTRAL
ANILLO
BASE
TAPA YPISTON DE CARGA CUERPO
CENTRAL
ANILLO
Figura 2.33- Edómetro con control de tensión lateral.
111 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Galgas extensométricas
Galga activa
Galga de compensación
10 mm
14 mm
6 mm
75º
Tóricas
70 mm
110 mm
Pared e=1.0 mm
75º
Galga activa
Galga de compensación
Alimentación y lectura del puente de Wheaston
Alimentación y lectura del puente de Wheaston
φint= 70 mm
φext= 110 mm
RARB
RCRD
Figura 2.34- Anillo del edómetro de tensión lateral. Distribución de las galgas extensométrivas.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 112
0.07 0.87 m
lever mechanism: 13.43x
FS = 1.5 kN
no-lin.+hyst.: 0.07% FS
0.07 0.87 m
lever mechanism: 13.43x
Célula de carga
deformación FS: < 0.06 mm
Bloqueo del desplazamiento vertical
Bureta graduara(+/- 20 mm3)
Célula edómetrica.Ensayo de volumen constante
Control del Vcte.
Ajuste de tornillo para mantener Vcte
EDÓMETRO DE PALANCA ACONDICIONADO EN ENSAYO DE VOLUMEN CONSTANTE
Figura 2.35- Edómetro con control de la tensión lateral acondicionado para realizar ensayos de hinchamiento a volumen constante con control de la tensión vertical.
Pistón de carga
Base
Camisa
Inyecciónde agua
Apoyo micrometro
Bloqueo del desplazamiento vertical
Tórica degoma
Conección de airecon HR controlada
MuestraDiámetro= 50 mmAltura= 50 mm
Inyección de aguaPiedra porosametálica
Bloqueo del desplazamiento vertical
Tórica degoma
Conección de airecon HR controlada
MuestraDiámetro= 50 mmAltura= 50 mm
Inyección de aguaPiedra porosametálica
ConexiónCon HR controlada
Figura 2.36- Célula de infiltración con control de la tensión vertical.
113 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Pistón de compactación
Tapa
Piedra porosa
Base
Camisa
Pistón de compactación
Tapa
Piedra porosa
Base
Camisa
Figura 2.37- Célula de infiltración de volumen constante.
Tapa
Base
Camisa
Inyecciónde agua
ConexiónCon HR controlada
Tapa
Base
Camisa
Inyecciónde agua
ConexiónCon HR controlada
Figura 2.38- Célula de infiltración de volumen constante.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 114
Presión de aire
Inyecciónde agua
Balanza electrónica +/-0.01g
Almacenamiento de datos en PC
HR controlada
Presión de aire
Inyecciónde agua
Balanza electrónica +/-0.01g
Almacenamiento de datos en PC
Presión de aire
Inyecciónde agua
Balanza electrónica +/-0.01g
Almacenamiento de datos en PC
HR controlada
Figura 2.39- Dispositivos auxiliares utilizados en los ensayos de infiltración realizados en las células de volumen constante.
115 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Plato base
Camisa
Vást
agos
de
ajus
te
Plato superior
Inyección de agua
Sens
ores
de p
resi
ón
Figura 2.40- Vista general de la columna de infiltración.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 116
Plato de base
Plato de base
Tapón con agujeros pasantespara conexiones
Anillo de cierre
Vástagos de apoyo
Anillo de cierre
Tapón
Tornillode ajuste
Tornillode ajuste
Plato de base
Plato de base
Tapón con agujeros pasantespara conexiones
Anillo de cierre
Vástagos de apoyo
Anillo de cierre
Tapón
Tornillode ajuste
Tornillode ajuste
Figura 2.41- Distintas partes de la base de la columna de infiltración.
117 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Camisa
Pistón de compactación
Sensores
Cabezal superior
Cabezal inferior
Piezas para el ajuste de sensores
Detalle de sensoresde presión total
Inyección de agua
Célula de carga
Figura 2.42- Distintas partes del cuerpo central de la columna de infiltración.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 118
Célula de carga
Inyección deagua
Sensores depresion total
Cabezal deinyección
20 cm
6 cm
6 cm14 cm
3.2 cm
Célula de carga
Inyección deagua
Sensores depresion total
Cabezal deinyección
20 cm
6 cm
6 cm14 cm
3.2 cm 3.2
cm
Anillo de goma
Figura 2.43- Vista en corte del cuerpo central de la columna de infiltración.
119 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Plato superior
Vástagos de ajuste
Figura 2.44- Parte superior de la columna de infiltración.
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 120
Tornillos de ajuste
Figura 2.45- Sensores y sistema de fijación.
121 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Figura 2.46- Célula de carga para la presión vertical de hinchamiento (Sensotec LFH71, 10 klbs).
Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental 122
Anillos de goma para estanqueidad
a)
b)
c)
Sensor sin adaptar
Piezas de ajuste
Figura 2.47-. Sensores de presión total para la medida de la presión total horizontal. a)- Sensor sin adaptar. b)- Vista del sensor adaptado y nicho de la camisa. c)- Vista del sensor instalado.
123 Capitulo 2:Técnicas de control y medida de la succión y equipo experimental -
Circuitode control
digital
Trasductor
Feedback
Motor de paso a paso
+/- paso
Agua desaireada
Aire
Pistón Salida de presión
Tornillo de compresión
Cilindro de presión
Figura 2.48- Sistema de control de la inyección de agua (GDS).