SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

Estudio del comportamiento estático de un suelo fino mejorado con fibra de Polietileno Tereftalato (PET)

Study of static behavior of a fine soil improved with Polyethylene Terephthalate (PET)

CAROLINA HERNÁNDEZ1, EDUARDO BOTERO2

1INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL, MÉXICO. 2INSTITUTO DE INGENIERÍA UNAM, MÉXICO.

RESUMEN: Las actuales condiciones ambientales, así como, el importante desarrollo tecnológico exigen el planteamiento de nuevos métodos constructivos, basados en técnicas sustentables y compatibles con el medio ambiente, y que al mismo tiempo garanticen un adecuado funcionamiento. El reforzamiento en suelos no es un tema nuevo, sin embargo el refuerzo con materiales reciclados aun no es muy utilizado ni estudiado. En el presente artículo se presenta un estudio del comportamiento estático de un suelo fino mejorado con distintos porcentajes de fibra de Polietileno Tereftalato (PET). El estudio del comportamiento se basa en pruebas triaxiales en carga estática, variando la presión de confinamiento.

Palabras clave: Polietileno Tereftalato (PET), mejoramiento de suelos, porcentaje de fibra, comportamiento estático, pruebas triaxiales.

1 INTRODUCCIÓN

Las fibras sintéticas más comúnmente utilizadas como material de refuerzo en diversos estudios son las de polipropileno, monofilamento de poliamida y alcohol de polivinilo, existen además estudios que emplean materiales sintéticos, producto de la reutilización, tales como fibras de polietileno tereftalato, polietileno de alta densidad y fibras de goma de neumático (Clairiá y Vettorelo, 2014).

Estudios de resistencia a la licuación en suelos reconstituidos han demostrado que las inclusiones de fibra incrementan el número de ciclos requeridos que causan la licuación durante cargas no drenadas (Noorany and Uzdavines, 1989; Maher and Woods, 1990; Krishnaswamy and Isaac, 1994; Ibraim et al., 2010; Maheshwari et al., 2013). En algunos estudios, los resultados de pruebas de carga indican que las fibras pueden ser consideradas como un buen sistema de refuerzo especialmente en un

contenido de fibra de 0.5% respecto al peso seco del suelo (Abuel-Maaty, (2010). Algunas pruebas de carga estática realizadas sin confinamiento indican que la cantidad optima de fibra mezclada en suelo arenoso, limo y ceniza de cascara de arroz tiene rangos de 0.4 a 0.8% de la masa seca referenciando en su artículo a Muntohar et al. (2013). A pesar de las aplicaciones de las fibras artificiales no existen metodologías para la dosificación de contenido de fibra basado en un criterio racional para el comportamiento dinámico de suelos reforzados con la misma.

Gregory (2006) observo un incremento constante en la resistencia al corte del suelo al aumentar el contenido de fibra. Investigaciones realizadas por Kumar et al. (2006), en suelos arcillosos reforzados con fibra de poliéster muestran que la resistencia a la compresión no confinada aumenta con el contenido de fibras, con un contenido de fibras constante, con la longitud de las fibras.

2 Estudio del comportamiento estático de un suelo fino mejorado con fibra de Polietileno Tereftalato

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El estudio de suelos finos reforzados con fibra de PET es relativamente nuevo, y de acuerdo a lo anterior expuesto, no existe suficiente información en la bibliografía que nos indique claramente el comportamiento para fines ingenieriles de dicho suelo, es por eso que esta investigación pretende determinar los parámetros de resistencia, mediante pruebas triaxiales estáticas rápidas, de un suelo mejorado con fibra de PET variando el contenido de fibra y la presión de confinamiento.

2 FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1 Mejoramiento de suelos La estabilización de suelos consiste en el mejoramiento de las propiedades físicas indeseables del suelo para obtener una estructura, resistencia al corte y relación de vacíos, deseables (Bowles, 1980) con la finalidad de obtener una capa firme, estable y durable, capaz de soportar los efectos de tránsito y las condiciones de clima más severas y por ende asegurar geotécnicamente el comportamiento del suelo. Las tres formas de lograrlo son: estabilización física, química y mecánica.

2.1.1 Métodos físicos Estos métodos se utilizan para mejorar el suelo produciendo cambios físicos en el mismo

- Confinamiento de un depósito de suelo. Crea un material compuesto de menor compresibilidad media y de mayor resistencia al corte que la del suelo natural.

- Consolidación. Siendo el proceso de asentamiento un proceso de consolidación, todos los procedimientos que aceleren esta última servirán para que aquellos se produzcan con mayor rapidez, dando oportunidad a que ocurran durante el proceso de construcción.

- Mezcla de suelos. Este método requiere la remoción de gran cantidad de material de

la superficie y no resulta práctico para el mejoramiento mecánico de depósitos de gran profundidad.

- Vibroflotación: Las vibraciones generan un fenómeno temporal de licuefacción del suelo que rodea al vibrador. En este estado, las fuerzas intergranulares son casi nulas y los granos del suelo se reorganizan en una configuración más densa que mejora las propiedades mecánicas del mismo.

2.1.2 Métodos químicos Se refiere al uso de sustancias químicas, cuyo uso involucra la sustitución de iones metálicos y cambios en la constitución de los suelos involucrados en el proceso.

- Cal: disminuye la plasticidad de los suelos arcillosos y es muy económica. Las arcillas frecuentemente requieren estabilización con el objeto de incrementar su resistencia y disminuir su sensibilidad a cambios volumétricos a consecuencia de cambios en el contenido de agua.

- Cemento: El suelo cemento es una mezcla de suelo pulverizado, con cemento Portland y contenido de agua, que compactado a una humedad óptima y densidad máxima, produce luego de la hidratación del cemento un material resistente, durable y de bajo costo, aumenta la resistencia de los suelos y se usa principalmente para arenas o gravas finas

- Productos asfalticos: es una emulsión muy usada para material triturado sin cohesión.

- Estabilización con sales: En el laboratorio, se han estudiado, un gran número de sales (NaCl, CaCl2, NaNO3, Na2CO3, BaCl2, MgCl2, KCl) pero tanto la economía como su disponibilidad han hecho que solamente se utilicen algunas, siendo las más utilizadas el cloruro de sodio y el cloruro de calcio.

- Cloruro de calcio. Se ha demostrado que con la adición de cloruro de calcio disminuyen las fuerzas de repulsión entre las arcillas. Como en el intercambio

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catiónico se sustituye un ion Ca++ por 2 iones Na+, la doble capa se ve reducida en su espesor lo que hace que se reduzca el potencial eléctrico y en consecuencia se reduzcan las fuerzas de repulsión entre las partículas.

- Silicato de sodio. Se puede utilizar para trabajos de estabilización de suelos cuando se tiene la presencia de sales de calcio diluidas en agua, pues esto origina silicatos gelatinosos de calcio insolubles, los cuales al hidratarse producen un magnífico agente cementante

- Cloruro de sodio. Con la adición de NaCl al agua, se puede abatir la temperatura de congelamiento de ésta última. Las soluciones que contengan cloruro de sodio (NaCl) disuelto, presentan una mayor tensión superficial que en el caso del agua destilada y en 1% de sal incrementa la tensión superficial en 1 a 2 dinas por cm2, asimismo, la adición de sal al agua abate la presión de vapor.

- Escorias de fundición: se utiliza comúnmente en carpetas asfálticas para darle mayor resistencia, impermeabilizarla y prolongar su vida útil.

- Caucho de neumáticos: este se utiliza comúnmente en carpetas asfálticas para darle mayor resistencia, impermeabilizarla y prolongar su vida útil.

- Polímeros: Los productos fabricados mediante polímeros, que son geotextiles y geomembranas, tienen cuatro funciones principales: separación, evita o minimiza la mezcla de materiales de diferente granulometría; filtración y drenaje, evita la migración de partículas de suelo permitiendo el libre flujo de agua y gases; refuerzo, soporta tensiones, estabiliza la masa del suelo; e impermeabilización, al formar una barrera que impide el paso de fluidos y partículas de suelo.

2.1.3 Métodos mecánicos Se denomina compactación de suelos al

proceso mecánico por el cual se busca mejorar las características de resistencia,

compresibilidad y esfuerzo-deformación de los mismos (Rico et al. 1976). Este proceso implica una reducción de los vacíos, con lo cual ocurren en el suelo cambios de volumen ligados a la perdida de aire.

El objetivo principal de la compactación es obtener un suelo de tal manera estructurado que posea y mantenga un comportamiento mecánico adecuado

La compactación de suelos en general es el método más barato de estabilización disponible. La compactación produce estabilización del suelo mediante la introducción de energía en el suelo.

2.2 Material de refuerzo El PET es un polímero lineal termoplástico obtenido por poli condensación del Ácido Tereftálico (C6H4 (COOH)2) adicionado con Etilenglicol (CH2OHCH2OH).

Los polímeros termoplásticos son polímeros de cadenas largas que cuando se calientan se reblandecen y pueden moldearse a presión. Representan el 78-80% de consumo total. Los principales son: polietileno, polipropileno, poli (cloruro de vinilo), poliestireno y poliuretano. El polietileno es el termoplástico más usado en nuestra sociedad. Los productos hechos de polietileno van desde materiales de construcción y aislantes eléctricos hasta material de empaque. Es barato y puede moldearse a casi cualquier forma, desde fibras hasta películas delgadas.

La resistencia química del PET es la siguiente:

Buena resistencia a: Grasas y aceites presentes en alimentos, soluciones diluidas de ácidos minerales, álcalis, sales, jabones, hidrocarburos alifáticos y alcoholes.

Poca resistencia a: Solventes halogenados, aromáticos, cetonas de bajo peso molecular y bases.

2.2.1 Características de la fibra de PET

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Se utilizaron fibras de polietileno tereftalato como elemento de refuerzo. Las fibras fueron proporcionadas por la empresa Tecnología de Reciclaje S.A. de C.V., dichas fibras cuentan con las siguientes características:

Tabla 1. Características principales del material de refuerzo.

Tipo de fibra

Color Longitud Diámetro Resistencia química

Punto de fusión

15x50 SIL

Marfil 50mm 15𝜇𝜇m Excelente en condiciones alcalinas

255°C

2.2.2 Impacto ambiental En función de las propiedades de los plásticos, la estructura del mercado ha crecido considerablemente. Para el año 2000, la producción mundial alcanzó los 160 millones de toneladas y en México para el año 2006, superó los 4 millones de toneladas. Se calcula que anualmente cada persona en México consume 49 kg de plásticos.

Por su composición y su origen derivado del petróleo (un recurso no renovable), los plásticos son un residuo de alto valor, relativamente fácil de recuperar y abundante. Paradójicamente en el país no ha sido objeto de una separación y recolección selectiva, pues se calcula que del total de residuos plásticos que se generan sólo el 12 por ciento se recupera para su reciclaje.

En este trabajo no se incluye un estudio detallado de impacto ambiental del polímero utilizado.

2.3 Determinación de los parámetros de resistencia en el laboratorio La resistencia al esfuerzo cortante representada por la ecuación de Coulomb es: 𝜏𝜏 = 𝑐𝑐 + 𝜎𝜎0 tan𝜙𝜙 (1)

Dónde: 𝜏𝜏 = Resistencia al corte del suelo. c= Cohesión del suelo. 𝜎𝜎0= Esfuerzo normal intergranular. Φ = Ángulo de fricción interna del suelo, el cual se supone que es constante.

La cohesión puede ser definida como la adherencia entre las partículas del suelo debida a la atracción entre ellas, producidas por sus fuerzas intergranulares.

El ángulo de fricción interna es función de la uniformidad de las partículas del suelo, del tamaño y la forma de los granos y de la presión normal.

En general, se necesitará determinar los parámetros de resistencia al corte del suelo en esfuerzos efectivos y en esfuerzos totales puesto que, la resistencia al corte depende de los esfuerzos efectivos del suelo. Estos se obtienen, a menudo en ensayos de laboratorio realizados sobre muestras de suelo representativas mediante ensayo de corte directo o el ensayo de compresión triaxial.

2.3.1 Ensayos de compresión triaxial En las pruebas de compresión triaxial

actúan presiones en tres direcciones, en los cuales dos de ellos son iguales. Los especímenes son usualmente cilíndricos y están sujetos a presiones laterales de un líquido, generalmente agua, del cual se protegen con una membrana impermeable. Para lograr el debido confinamiento, la muestra se coloca en el interior de una cámara cilíndrica y hermética, de Lucita, con bases metálicas. En las bases de la muestra se colocan piedras porosas, cuya comunicación con una bureta exterior puede establecerse a voluntad con segmentos de tubo plástico. El agua de la cámara puede adquirir cualquier presión deseada por la acción de un compresor. La carga axial se transmite por medio de un vástago que atraviesa la base superior de la cámara.

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Figura 1. Esquema de cámara triaxial.

Las pruebas triaxiales suelen considerarse constituidas por dos etapas. En la primera se aplica a la muestra la presión de la cámara; durante ella puede o no permitirse el drenaje de la muestra. En la segunda etapa, la muestra se sujeta a esfuerzos cortantes, esta etapa puede ser también drenada o no drenada. A continuación se describen los diferentes tipos de ensayo:

Ensayo no consolidado-no drenado (UU). Este ensayo se hace con la válvula de drenaje cerrada para todas las etapas del ensayo y antes de que la muestra tenga posibilidades de consolidarse. El ensaye se comienza inmediatamente después de estabilizar la presión en la cámara. El procedimiento de este ensayo se describe en la norma ASTM D2850 - 03a Standard

Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils.

Ensayo consolidado-no drenado (CU). Este ensayo se hace después de que la muestra se ha consolidado con la válvula de drenaje abierta bajo una presión de cámara constante. Se necesita controlar la muestra para determinar cuándo ha terminado el cambio de volumen indicando que la consolidación ha terminado. Como la consolidación toma un tiempo considerable en materiales arcillosos, se han desarrollado técnicas especiales tales como hacer un núcleo de arena en el espécimen o utilizar bandas de papel filtro o de algodón espaciada alrededor del perímetro superficial de la muestra. Cuando se completa la consolidación, se cierran las válvulas de drenaje, y se le aplica el esfuerzo desviador hasta la falla. El procedimiento de este ensayo se describe en la norma ASTM D4767 - 02 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils.

Ensayo consolidado-drenado (CD). La característica fundamental de la prueba es que los esfuerzos aplicados al espécimen son efectivos. Primeramente se sujeta al suelo a una presión hidrostática, teniendo la válvula de comunicación con la bureta y dejando trascurrir el tiempo necesario para que haya sido completada la etapa de consolidación bajo una presión actuante. Cuando el equilibrio estático interno se haya establecido, todas las fuerzas exteriores estarán actuando sobre la fase sólida del suelo; es decir, produce esfuerzos efectivos, en tanto que los esfuerzos neutrales en el agua corresponden a la condición hidrostática. La muestra es llevada a la falla a continuación aplicando la carga axial en pequeños incrementos, cada de los cuales se mantiene el tiempo necesario para que la presión en el agua, en exceso de la

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hidrostática, se reduzca a cero. El procedimiento de este ensayo se describe en la norma ASTM D7181 - 11 Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils.

La cámara triaxial en sus inicios, para la toma de lecturas cuenta con micrómetros con carátula, anillos de carga y manómetros de presión, la adquisición de datos se realizaba de manera manual. Con la combinación de los sistemas electrónicos se tiene la oportunidad de instrumentar este equipo, para los cuales se dispone con un transductor de desplazamiento LVDT, una celda de carga, que encuentra colocado dentro de la cámara y un sensor de presión como apoyo para la aplicación de presión. Los sensores descritos se conectan por medio de cables a un receptor de señales, que convierte éstas a datos que se pueden analizar y observar desde un equipo de cómputo.

3 MÉTODO Y DESARROLLO 3.1 Metodología Realización de pruebas índice en el laboratorio en muestras inalteradas.

Constitución de muestras para ensayes mediante pruebas de compactación dinámica miniatura. Construyendo la curva de compactación y determinando el contenido de agua óptimo y el peso volumétrico seco máximo.

Realización de pruebas triaxiales no consolidadas no drenadas (UU) en carga estática en muestras construidas con diferente contenido de fibra (0, 0.1, 0.3, 0.5 y 0.7%) y con diferente presión de confinamiento (50, 100 y 150 kPa). Así como, en muestras inalteradas.

Interpretación de resultados.

3.2 Constitución de la muestra

El suelo ensayado fue reconstituido de cuatro muestras obtenidas por medio de hincado de tubo Shellby en la actual zona

del Lago de Texcoco en el Estado de México, las cuales de enumeran en la tabla siguiente, también se muestra el porcentaje utilizado de cada muestra para el suelo ensayado.

Tabla 2. Muestras utilizadas en la constitución del suelo ensayado.

Sondeo Muestra Profundidad Peso (g) %Peso SS-4 1-A 3.50-4.10 853.3 30.668 SS-2 1-B 4.00-4.80 891.5 32.041 SS-6 M-1 4.00-4.90 754.2 27.107 9Mi-L 1 3.40-4.00 283.3 10.182 SUMA - - 2782 100 Para cada una de estas muestras se

realizaron las siguientes pruebas índice, con referencia en las normas ASTM: determinación del contenido de agua. (ASTM D2216-10 “Standard Test Methods for Laboratory Determination of Water Moisture Content of Soil and Rock by Mass”), determinación del peso volumétrico. (ASTM D854 – 14 “Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer”), determinación de la densidad de sólidos. (ASTM D854 – 14 “Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer”) y determinación de los límites de consistencia. (ASTM D 4318 (Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticy Index of Soils).

Tabla 3. Resultados de pruebas índices de las muestras que constituyen el suelo ensayado.

Sondeo Muestra wL wP PI LI

% % % - SS-2 1B 166.4

9 60.97 105.52 1.749

SS-6 1 267.72

89.09 178.63 0.930

SS-4 1ª 112.85

52.76 60.09 0.878

Tabla 4. Resultados de pruebas índices de las muestras que constituyen el suelo ensayado. Sondeo

Muestra

Gs w Gw γm SUCS

- % % Kg/m

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3 SS-2 1B 2.8

9 245.56

99.33

1227 CH

SS-6 1 2.49

255.24

99.15

1195 CH

SS-4 1ª 2.65

105.51

95.47

1386 CH

Como se puede apreciar en las tablas 3 y

4 el rango de profundidad de las muestras es de 3.5 a 4.9m, lo que corresponde a la parte superficial del terreno, en donde se puede realizar el mejoramiento con fibra. También se observa que las propiedades índices de estas muestras no varían considerablemente, sin embargo fue pertinente realizar las pruebas necesarias de caracterización para la nueva muestra de suelo conformada por las cuatro anteriormente mencionadas.

Para la preparación del suelo reconstituido se extrajo de los tubos Shellby y se puso en el horno de convección a 110°C durante 24 horas, las muestras se colocan en el desecador hasta que alcanzó la temperatura ambiente.

Después de regular la temperatura de las muestras, el material se disgregó utilizando el mazo de madera, cuidando de alterar lo menos posible la estructura del suelo. Posteriormente se disgrego utilizando la capsula de porcelana Se cribo el material por la malla N° 40. Este procedimiento se realizó para cada muestra y al final se mezclaron.

3.3 Determinación de las propiedades índice del suelo ensayado Para el suelo resultante se realizaron las siguientes pruebas índices: determinación de la densidad de sólidos, límite líquido y límite plástico.

La densidad de los sólidos (o gravedad específica de sólidos) determinada fue de 2.64, se obtuvo como la relación entre el peso de los sólidos y el volumen de agua que desalojan a la temperatura ambiente. Al valor obtenido se le hizo una corrección por temperatura.

Para la determinación del límite líquido fue utilizado un cono Sueco instrumentado, debido a la falta de adherencia de las partículas del suelo con la copa de Casagrande. La penetración del cono es medida por medio de una escala graduada milimétricamente con precisión de 0.1mm. El límite líquido es definido como el agua contenida en el suelo con la cual el cono sueco penetra 10mm.Para la determinación del límite plástico, se utilizó el método recomendado por las normas ASTM.

El suelo fue clasificado, de acuerdo a la carta de plasticidad de Casagrande, como un limo de alta plasticidad. El límite líquido fue 67%; el límite plástico fue 40%.

3.4 Pruebas de compactación Las pruebas de compactación para la conformación de las probetas que se ensayaron, fue de tipo dinámica miniatura, se administraron 24 golpes con un martillo de 196g a una altura de 30.5cm en 10 capas. Se tomó una cantidad de la muestra cuarteada y disgregada anteriormente. Se realizaron cuatro pruebas, dos con contenido de agua inferiores al óptimo y dos con contenidos de agua superiores para determinar la curva de compactación de la muestra.

El peso volumétrico seco máximo obtenido de la curva de compactación (figura 2), fue de 1.29g/cm3, correspondiente al contenido de agua óptimo de 37%. Estos valores fueron los utilizados para la constitución de las probetas ensayadas en las cámaras

1.121.141.161.18

1.21.221.241.261.28

1.31.321.34

30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Peso

vol

umét

rico

seco

, γd

(g/c

m3 )

ω(%)

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triaxiales bajo carga estática. Figura 2 Curva de compactación

3.5 Pruebas triaxiales estáticas Las pruebas se realizaron de acuerdo a la norma ASTM D2850 - 03a (2007) “Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils”, el equipo utilizado fue una cámara triaxial de precisión.

Esta cámara transmite la carga axial a la muestra mediante un sistema de alambres. Una de las ventajas que presenta el diseño de esta cámara es la posibilidad de medir con precisión la carga axial en cualquier tiempo durante la duración de la prueba; esto puede ser posible gracias a que la fricción en el sistema de carga es muy baja y menor que en otros tipos de cámara triaxial. La razón por la cual se dice que la fricción es muy baja se obtiene cuando se le compara con la magnitud de la carga horizontal generada en el ensaye por excentricidad o heterogeneidad del espécimen, y es prácticamente independiente del esfuerzo confinante y del desarrollo de la deformación axial durante la prueba. (Santoyo y Reséndiz, 1971).

La cámara de precisión cuenta con sistemas electrónicos de instrumentación, los cuales cuentan con un transductor de desplazamiento LVDT con carrera de 25 mm; una celda de carga sumergible con capacidad de carga hasta 250 kg, se tiene también un sensor de presión con capacidad de 100 psi, como apoyo para la aplicación de presión. Las probetas ensayadas se prepararon tomando en cuenta el contenido de humedad óptimo y siguiendo el procedimiento de compactación presentado en el inciso anterior. La probeta constituida tuvo una altura de 8.5cm.

Se realizaron cinco series de pruebas con diferentes contenidos de fibra: 0, 0.1, 0.3, 0.5 y 0.7% respecto al peso total de la

muestra, para cada serie se realizaron pruebas para 50, 100 y 150 kPa de presión de confinamiento (𝜎𝜎3), los resultados obtenidos fueron la deformación producida por el suelo respecto a la carga aplicada, como se muestra en la figura 3. Con los cuales se construyeron las gráficas esfuerzo-deformación correspondientes para cada prueba y mediante la teoría de Mohr-Coulomb, se determinaron los parámetros de resistencia al corte.

Figura 3. Adquisición de datos.

Las fallas obtenidas para el suelo sin refuerzo de fibra de PET fueron frágiles, mientras que para las ensayadas con fibra fueron dúctiles, independientemente del contenido de fibra, como se muestra en la figura 4.

(a) muestra sin fibra (b) muestra con 0.1% de fibra Figura 4. Estado de las muestras en la falla.

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Se elaboraron las gráficas esfuerzo-deformación para cada serie de pruebas (Figuras 5-9).

Figura 5. Esfuerzo-deformación para un contenido de 0% de fibra variando la presión de confinamiento.

Figura 6. Esfuerzo-deformación para un contenido de 0.1% de fibra variando la presión de confinamiento

Figura 7. Esfuerzo-deformación para un contenido de 0.3% de fibra variando la presión de confinamiento.

Figura 8. Esfuerzo-deformación para un conte-nido de 0.5% de fibra variando la presión de confinamiento

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Figura 9. Esfuerzo-deformación para un conte-nido de 0% de fibra variando la presión de con-finamiento. 4 RESULTADOS De los resultados presentados en las figuras 5-9 de las gráficas de esfuerzo- deformación para cada serie de pruebas se calcularon los círculos de Mohr para las series de pruebas variando la presión de confinamiento de 50, 100 y 150 kPa, sin fibra, con 0.1, 0.3, 0.5 y 0.7% de fibra, con estas graficas se determinó la envolvente de falla y los parámetros de resistencia al corte, cohesión y fricción. De los parámetros al corte obtenidos (ángulo de fricción interna y cohesión), mostrados en las fi-guras 10 y 11, observamos un aumento progre-sivo de la cohesión, la cual es hasta dos veces mayor en los primeros dos porcentajes de fibra (0.1 y 0.3%), teniendo después un aumento no significativo. El ángulo de fricción interno no se ve muy afectado debido al efecto de la fibra, el mayor valor registrado para el ángulo de fricción interna corresponde a un contenido de fibra de 0.1%.

Figura 10 Variación del ángulo de fricción interno con el contenido de fibra

Figura 11 Variación de la cohesión con el contenido de fibra De las gráficas esfuerzo- deformación se puede visualizar un aumento de la resistencia conforme se aumenta la presión de confinamiento.

En las gráficas de esfuerzo deformación de los suelos con fibra (Figuras 5-9) se puede observar que llegando al punto de fluencia, el suelo vuelve a tomar carga sin que haya fracturamiento, esto es debido al reacomodo de las partículas del suelo debido a la fibra. Las fibras actúan como refuerzo entre las partículas del suelo ensayado.

Las fallas observadas en los suelos con el refuerzo fueron plásticas, se observó un ligero agrietamiento en algunos casos, a diferencia de las pruebas realizadas sin fibras, estas presentaron una falla frágil con un plano de falla bien definido.

El efecto que tiene la variación del contenido de fibra para suelos ensayados con una presión de confinamiento de 0.5kg/cm2 (figura 12) no es muy significante para contenidos de fibra menores que 0.5%, sin embargo para valores mayores, la resistencia tiende a aumentar gradualmente hasta tres veces más que la del suelo ensayado sin fibra. Para todos los casos en los que existe un porcentaje de fibra, no se presenta una falla frágil.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0.2 0.4 0.6 0.8

φ (°

)

% fibra

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0.2 0.4 0.6 0.8

c (T

/m2 )

% fibra

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Para una presión de confinamiento de 1.5kg/cm2 se observa un incremento en la resistencia para contenidos de fibra mayor que 0.5%. También se observa que con el contenido de fibra de 0.1% se llega alcanza una resistencia similar que la del suelo sin fibra con la diferencia de que este esfuerzo se mantiene y se genera una falla plástica (figura 13). Debe señalarse que la última prueba corres-pondiente a 0.7% de fibra con una presión de confinamiento de 1.5kg/cm2 no fue posible rea-lizarla debido a que la capacidad de carga del equipo utilizado no fue suficiente.

Figura 12 Esfuerzo-deformación para diferentes contenidos de fibra con una presión de confi-namiento de 50 kPa.

Figura 13 Esfuerzo-deformación para diferentes contenidos de fibra con una presión de confi-namiento de 100 kPa.

Figura 14 Esfuerzo-deformación para diferentes contenidos de fibra con una presión de confinamiento de 150 kPa 5 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados, se observa un aumento progresivo de la cohesión conforme aumenta la cantidad de refuerzo, la cual alcanza una magnitud de dos veces mayor en los primeros dos porcentajes de fibra (0.1 y 0.3%), teniendo después un incremento mínimo. Para el ángulo de fricción interna se observa una variación no uniforme.

Para contenidos de fibra menores que 0.5% no se observa un aumento considerable de la resistencia del suelo, para valores mayores, la resistencia tiende a aumentar gradualmente hasta tres veces más que la del suelo ensayado sin fibra. Para todos los casos en los que existe un porcentaje de fibra, no se presenta una falla frágil.

En las gráficas esfuerzo-deformación se identifica un aumento de la resistencia conforme aumenta la presión de confinamiento.

Se observa que, en suelos con fibra al llegar al punto de fluencia, el suelo vuelve a tomar carga sin que haya fracturamiento, esto es debido al reacomodo de las partículas del suelo debido a la fibra. Las fibras actúan como uniones entre las partículas del suelo ensayado.

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De acuerdo con los resultados de las pruebas de carga estáticas se estima que el contenido de fibra optimo es de 0.5% para un limo de alta plasticidad con las características presentadas anteriormente.

REFERENCIAS American Society for Testing and Materials

(2013). “D 4318 Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticy Index of Soils”, USA.

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American Society for Testing and Materials (2014) “D4767 - 02 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils”. USA.

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