1.Introducción
Las celdas de presión de suelos, a veces llamadas celdas de presión total o celdas de tensión total, están diseñadas para medir las tensiones en el suelo o la presión del suelo sobre las estructuras. Las celdas responderán no solo a las presiones de suelos, sino también a las presiones del agua subterránea o la presión del agua intersticial, de ahí el término presión total o tensión total. Es necesaria una medición simultánea de la presión del agua intersticial (μ), utilizando un piezómetro, para separar la tensión efectiva (σ') de la tensión total (σ) según lo define el principio de tensión efectiva de Terzaghi:
σ' = σ - μ
Ecuación 1: Principio de estrés efectivo de Terzaghi
Estos parámetros, junto con las características de resistencia del suelo, determinarán el comportamiento del suelo bajo cargas.
Las celdas de presión de suelos del tipo descrito aquí son del tipo hidráulico: dos placas planas soldadas entre sí en su periferia y separadas por un pequeño espacio lleno de fluido hidráulico. La presión de la tierra actúa para comprimir las dos placas juntas, creando así una presión dentro del fluido. Si las placas son lo suficientemente flexibles (es decir, si son lo suficientemente delgadas en relación con su extensión lateral), entonces en el centro de la placa el efecto de soporte de la periferia soldada es insignificante, y se puede afirmar que en el centro de la celda la presión externa del suelo está exactamente equilibrada por la presión interna del fluido.
Esto es cierto solo si la flexión de las placas se mantiene al mínimo y, por lo tanto, es importante que la celda sea rígida. Esto, en un sentido práctico, significa que el fluido dentro de la celda debe ser lo más incomprimible posible y que el transductor de presión requerido para medir la presión del fluido también debe ser rígido con muy poco cambio de volumen bajo presión creciente.
Las pruebas realizadas por investigadores (Dunnicliff, 1988) han demostrado que la introducción de una celda de tensión plana en una masa de suelo alterará el campo de tensión de una manera que depende de la rigidez relativa de la celda, con respecto al suelo, y también con respecto a la relación de aspecto de la celda, es decir, la relación entre el ancho de la celda y su grosor. Una celda gruesa alterará la tensión más que una celda delgada. Por estas razones, lo mejor es una celda delgada y rígida, y los estudios han demostrado que una relación de aspecto de al menos 20 a 1 es lo mejor.
Idealmente, la celda debería ser tan rígida (comprimible) como el suelo, pero en la práctica esto es difícil de lograr. Si la celda es más rígida (menos comprimible) que el suelo, entonces registrará en exceso la presión del suelo debido a una zona de suelo inmediatamente alrededor de la celda que está "protegida" por la celda y por lo tanto no experimenta la presión total del suelo. Esto se puede representar esquemáticamente como se muestra en la Figura 1.
1:
Figura 1: Redistribución de la tensión, suelo débil con celdas rígidas
Como puede verse, hay una concentración de tensión en el borde rígido, pero en el centro de la celda la tensión del suelo es solo ligeramente más alta que la tensión media del suelo, es decir, solo un poco más alta que la tensión que se obtendría si la celda no estuviera presente.
En un suelo más fuerte, la zona sin tensión alrededor del borde de la celda es más extensa; por lo tanto, el grado de registro excesivo de la tensión media es mayor en el centro de la celda. Esto se representa esquemáticamente en la Figura 2.
Figura 2: Redistribución de la tensión, suelo fuerte con celdas rígidas
En un suelo rígido, la celda puede ser menos rígida (más comprimible) que el suelo, en cuyo caso la celda registrará de forma insuficiente la tensión media del suelo, ya que las tensiones en el suelo tienden a "tender un puente" alrededor de la celda. Esto se representa esquemáticamente en la Figura 3.
Figura 3: Redistribución de la tensión, suelo rígido con celdas débiles
Las pruebas realizadas en la Universidad de Ohio (Ohio, EE. UU.) con varios tipos de suelos diferentes han demostrado que para las celdas geokon el grado máximo de registro excesivo o insuficiente equivale al 15% de la tensión media del suelo.
Deben tenerse en cuenta otros factores. La variabilidad inherente de las propiedades del suelo, que dan lugar a diversas tensiones del suelo en diferentes ubicaciones, y la correspondiente dificultad para obtener una buena muestra de la tensión media de un número limitado de ubicaciones de celdas. Además, la respuesta de la celda a su entorno inmediato depende principalmente de qué tan cerca la masa de suelo inmediatamente alrededor de la celda tenga la misma rigidez o compresibilidad o el mismo grado de compactación que la masa de suelo no perturbada. Los métodos de instalación deberán prestar especial atención a este detalle.
1.2Diseño de las celdas de presión de suelos
Las celdas de presión de suelos están construidas a partir de dos placas de acero inoxidable soldadas entre sí alrededor de la periferia para dejar un espacio estrecho entre ellas. Este espacio está lleno de aceite hidráulico sin aire, que está conectado hidráulicamente a un transductor de presión. El transductor de presión convierte la presión del aceite en una señal eléctrica, que se transmite a través de un cable de señal a la ubicación de lectura.
En general, las celdas de presión de suelos geokon utilizan una construcción completamente soldada; esto significa que el espacio que confina el aceite es completamente metálico y no requiere juntas tóricas (o-ring), que tienden a atrapar aire y reducir la rigidez de la celda. El aire se elimina del aceite con un desaireador Nold DeAerator*, que mejora sustancialmente la rigidez del fluido y el rendimiento de la celda. El transductor de presión que se emplea normalmente es el geokon modelo 4500H, que está disponible en varios rangos de presión diferentes (consulte el Apéndice A.1). El cable se conecta al transductor de manera sellada e impermeable. Para las celdas de presión del suelo ubicadas dentro de una masa de suelo, el cable puede estar blindado y provisto de un alivio de tensión en la celda para reducir la probabilidad de que se salga.
Dentro de la carcasa del transductor de presión de cuerda vibrante, hay un termistor para medir la temperatura en la ubicación de la celda. Además, un supresor de sobretensiones de plasma tripolar dentro de la carcasa del transductor protege el arranque y las bobinas de lectura de la cuerda vibrante de los transitorios eléctricos, como los que pueden ser inducidos por la caída de rayos directos o indirectos.
También se encuentran disponibles transductores de presión alternativos con salida de voltaje (0-100 mV, 0-5 VCC, 0-10 VCC) o corriente (4-20 mA) para la capacidad de lectura dinámica. Consulte con la fábrica para obtener más detalles.
1.3Construcción de las celdas de presión de suelos
1.3.1Celdas de presión de suelos modelo 4800
Las celdas de presión de suelos modelo 4800 pueden tener una forma rectangular o circular. El tamaño estándar para el modelo 4800 rectangular es 150 mm × 250 mm (6" × 10"), para el circular es de 230 mm (9") de diámetro. El grosor estándar para ambos estilos es de 6 mm (relación de aspecto ~ 40). Para pruebas de laboratorio, se pueden fabricar celdas más pequeñas y delgadas. Contacte a la fábrica para obtener más detalles.
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Figura 4: Celdas de presión de suelos rectangular modelo 4800
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Figura 5: Celdas de presión de suelos circular modelo 4800
1.3.2Celdas de presión de contacto ("Fat Back") modelo 4810
Las celdas de presión de suelos modelo 4810 están diseñadas para medir las presiones de suelos en estructuras. Una de las placas es gruesa y está diseñada para apoyarse contra la superficie externa de la estructura de una manera que evitará la flexión de la celda. La otra placa es delgada y reacciona a la presión del suelo.
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Figura 6: Celdas de presión de contacto modelo 4810
1.3.3Celda de carga hidráulica modelo 4815
La celda de carga hidráulica modelo 4815 se ha utilizado para la medición de cargas en pilotes y de cargas concentradas en revestimientos de túneles. La carcasa del transductor de presión está conectada directamente y perpendicular a la placa gruesa posterior.
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Figura 7: Celda de carga hidráulica modelo 4815
1.3.4Celdas de presión de suelos "Jackout" modelo 4820
Las celdas de presión de suelos modelo 4820 están diseñadas específicamente para medir las presiones de suelos en la parte posterior de muros pantallas. La carcasa del transductor de presión está conectada directamente y perpendicular a la placa gruesa posterior.
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Figura 8: Celdas de presión Jackout modelo 4820
1.3.5Celdas de presión del suelo Push-In modelo 4830
Las celdas de presión Push-In modelo 4830 están diseñadas para colocarse en su lugar para la medición de presiones totales en suelos y rellenos de tierra. El transductor de presión semiconductor permite la medición de presiones dinámicas. Se proporciona una rosca en el extremo de la celda para permitir la instalación utilizando tramos de tubería o varillas de perforación.
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Figura 9: Celdas de presión Push-In modelo 4830