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METODO IN SITO PARA DETERMINAR LA TENDENCIA DE LICUEFACCIÓN DE SUELOS Y SU PREVENCIÓN MEDIANTE
ELECTRO-OSMOSIS
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con un método in situ para cuantificar la tendencia de licuefacción de suelos saturadas con agua, y para determinar el potencial de electro-osmosis para prevenir la licuefacción de suelos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La licuefacción de suelos es el resultado de un aumento en la presión del agua intersticial de suelos inducida por movimientos o choques de suelos transitorios o repetidos. Los aumentos de agua intersticial se pueden inducir por sismos, explosiones, impactos y ondas oceánicas. La licuefacción de suelos se presenta en suelos sin cohesión, saturadas con agua y provoca una pérdida de resistencia del suelo que puede dar por resultado en el asentamiento y/o colapso en edificios, presas, terraplenes, diques, taludes y tuberías. La licuefacción de arenas y sedimentos se ha reportado en casi todos los principales terraplenes alrededor 2
del mundo. Las ondas de extensión terrestre impuestas provenientes de los sismos y otras cargas transitorias o repetidas induce sacudida o esfuerzo cortante vibratorio de arena o sedimentos sueltos saturados, provocando un fenómeno conocido como licuefacción. Cuando las arenas y sedimentos sueltos se someten a alternancias de deformación por esfuerzo cortante repetidas, el volumen del suelo se contrae y da por resultado en un aumento inmediato en la presión del agua intersticial dentro del suelo. Si la presión del agua intersticial aumenta suficientemente alto, entonces la presión de contacto grano a grano del suelo disminuye a cero, y la masa terrestre perderá toda la resistencia al esfuerzo cortante y temporalmente actuará como un fluido, es decir se presenta la licuefacción. Esta pérdida temporal de resistencia al esfuerzo cortante puede tener un efecto catastrófico sobre los terraplenes o estructuras encontrados en estos depósitos. Los principales derrumbes, hundimientos u oscilación de edificios y puentes, y la inestabilidad de presas o depósitos de decantación de residuos y el colapso de tuberías todos se han observado en años recientes y se han dirigido esfuerzos para evitar o reducir estos daños.
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Los factores que producen la presencia de licuefacción son tipo de suelo, distribución de tamaño de grano, densidad del suelo, permeabilidad del suelo, magnitud y número de las alternancias de deformación por esfuerzo cortante. La arena fina o suelos sin cohesión finos que contienen cantidades moderadas de sedimento con las más susceptibles de experimentar licuefacción. Los suelos nivelados uniformemente son más susceptibles de experimentar licuefacción que los suelos bien nivelados, y las arenas finas tienden a licuarse más fácilmente que las arenas gruesas o suelos de grava. Cantidades moderadas de sedimentos parecen aumentar la susceptibilidad de licuefacción de las arenas finas; sin embargo, las arenas finas con grandes cantidades de sedimento son menos susceptibles aunque la licuefacción sigue siendo posible. Evidencia reciente indica que las arenas que contienen cantidades moderadas de arcilla también pueden ser susceptibles de licuefacción. En arenas muy gruesas o grava, el agua terrestre puede fluir tan libremente que las presiones del agua intersticial nunca son tan peligrosas para producir la licuefacción. Sin embargo, las arenas finas y las arenas con 4
sedimentos tienen permeabilidad moderada a baja, lo que evita la disipación de presiones de agua intersticial inducidas y da por resultado en la licuefacción del suelo. Si se pueden disminuir las presiones de agua intersticiales del suelo generadas durante un caso de sismo, entonces el suelo no experimentará licuefacción y por lo tanto seguirá siendo estable. Los métodos para estabilización de suelos convencionales para reducir al mínimo o evitar la licuefacción consisten de uno de cinco métodos generales : 1) eliminar el material de suelo con tendencia a licuefacción y reemplazar con material sólido, 2) proporcionar soporte estructural a estratos de suelo firme subyacentes, por ejemplo, tuberías , 3) densificar el suelo para hacerlo menos susceptible a licuefacción, 4) reforzar los suelos con tendencia a licuefacción, 5) proporcionar drenaje para evitar la acumulación de presiones acuosas en huecos de suelo, por ejemplo, columnas de piedra o grava o pozos de 5
alivio . Los métodos anteriores han probado ser exitosos para reducir al mínimo el daño relacionado con la licuefacción; sin embargo, son caros, difíciles de implementar en estructuras existentes y algunos de los métodos están bastante limitados en su eficacia en suelos de grano fino. Un método alternativo para evitar la licuefacción de suelos implica activar un gradiente electro-osmótico lejos de la cimentación de la estructura o hacia una serie de pozos para alivio de presión, y de esta forma invertir el impacto de la sacudida por sismos en el aumento de la presión de agua intersticial de suelo y por lo tanto mantener la deformación por esfuerzo cortante del suelo y la estabilidad estructural. La electro-osmosis implica la aplicación de una corriente d-c constante entre electrodos insertados en el suelo saturado, que produce un movimiento de fluidos en los huecos desde los electrodos fuente hacia los electrodos sumergidos y de esta forma modifica las presiones del agua intersticial del suelo. La electro-osmosis se ha utilizado en aplicaciones tales como por ejemplo, 1) mejorar la estabilidad de las excavaciones, 2) disminuir la resistencia a la hinca de pilotes, 3) 6
aumentar la resistencia de los pilotes, 4) estabilización de los suelos mediante consolidación o enlechado, 5) deshidratacion de lodos, 6) disminución del agua terrestre y sistemas aislantes, 7) aumento en la producción de petróleo, 8) eliminación de los contaminantes de los suelos y 9) para evitar la licuefacción de suelos durante casos de sismo. La electro-osmosis utiliza una diferencia potencial eléctrica d-c aplicada a través de la masa de suelo saturado mediante electrodos colocados en un arreglo de flujo abierto o cerrado. La diferencia de potencial d-c fija una corriente d-c constante que fluye entre los electrodos fuente y sumergidos. En la mayoría de los suelos, las partículas de suelo tienen una carga negativa. En aquellos suelos cargados negativamente, el electrodo fuente, el electrodo anódico y el electrodo sumergido es el electrodo catódico, y el agua terrestre migra desde el electrodo anódico hacia el electrodo catódico. En otros suelos, tales como por ejemplo, suelos calcarios, las partículas de suelo portan una carga positiva. En aquellos suelos cargados positivamente, el electrodo puente es el electrodo catódico, el electrodo sumergido es el electrodo catódico, y el agua terrestre migra desde 7
el electrodo catódico hacia el electrodo anódico. Un arreglo de flujo "abierto" de los electrodos permite un ingreso o egreso del fluido en los huecos. Debido al transporte inducido eléctricamente del fluido de agua intersticial, las presiones del agua intersticiales del suelo se modifican para permitir que las excavaciones se estabilicen o se disminuya la resistencia a la hinca de pilotes. La electro-osmosis no se utiliza ampliamente debido al alto costo de mantenimiento del potencial d-c durante largos periodos de tiempo y al resecamiento y reacciones químicas que se presentan y el sistema se activa durante largos periodos de tiempo. Para la estabilización a corto plazo mediante la reducción de la presión del agua intersticial, la electro-osmosis es muy eficaz en suelos de grano fino, tales como por ejemplo, arenas finas, arena con sedimento y sedimentos. Para estructuras existentes o planeadas, las tendencias de licuefacción de un sitio necesitan examinarse y cuantif icarse de tal forma que se puedan incorporar medidas de prevención en el diseño de la estructura planeada o la estructura existente se modifique adecuadamente. Por lo tanto, existe una necesidad por un método definitivo para medir el 8
potencial de licuefacción de un suelo in situ, cuantificar bajo que condiciones de carga el suelo experimentará licuefacción, y también determinar si las medidas para prevención de licuefacción tales como por ejemplo electro-osmosis son aplicables. Los métodos anteriores para la evaluación del potencial de licuefacción de suelos consisten de dos procedimientos básicos, pruebas de laboratorio y pruebas in situ. Los métodos de laboratorio requieren muestras de suelo sin alterar que son difíciles hasta imposibles de obtener. Los métodos para prueba de laboratorio implican esfuerzo cortante triaxial cíclico, directo cíclico, y pruebas triaxiales torsionales cíclicas. Todas estas pruebas aplican una alternancia para tensión de esfuerzo cortante sobre la muestra de suelo. Actualmente no existe un método para obtener muestras sin alterar, en las cuales se hayan conservado en los suelos sin cohesión el estado de tensión in situ, la proporción de huecos, o la estructura. Por lo tanto, los métodos de laboratorio se consideran únicamente pruebas cualitativas para valorar el potencial de un suelo para licuarse. Los métodos in situ actualmente constan de cinco (5) tipos, con cuatro (4) de los 9
métodos que son métodos empíricos indirectos y el quinto (5to) método que es una medición in situ directa de una resistencia al esfuerzo cortante del suelo y un método probable para cuantificar un potencial del suelo al licuarse. Los cuatro (4) métodos empíricos indirectos son: 1) la Prueba de Penetración Estándar (SPT, por sus siglas en inglés); 2) la Prueba para Penetración de Cono (CPT, por sus siglas en inglés); 3) la Prueba para Penetración de Piezocono (PCPT, por sus siglas en inglés) : y 4) la Prueba de Ondas Sísmicas (SWT, por sus siglas en inglés) . La quinta medición in situ directa es la Prueba de Molinete Piezoeléctrico (PVT, por sus siglas en inglés) . El procedimiento de la Prueba de
Penetración estándar (SPT) se basa en una correlación empírica entre el número de corrientes de aire de una sonda para penetrar el suelo correlacionada con la presencia o ausencia observadas de licuefacción en suelos particulares durante casos de sismos pasados. La Prueba para Penetración de Cono (CPT) tiene diversas ventajas sobre la SPT, aunque similar a la prueba SPT, implica correlacionar la resistencia a la penetración del cono con la presencia o ausencia 10
observadas de licuefacción de sitios durante casos de sismo pasado. La Prueba para Penetración de Piezocono (PCPT) es similar a la prueba CPT con la excepción de que las mediciones para la presión de agua intersticial se registran durante la conducción del cono en los suelos, sin embargo, la cuantificación del suelo ha experimentar licuefacción se basa en relaciones empíricas similares como la prueba CPT, lo que da por resultado en esta prueba que tiene las mismas desventajas y deficiencias básicas como el método CPT. La Prueba de Ondas Sísmicas (SWT) se basa en relaciones empíricas entre las velocidades de onda sísmica del suelo según se mide in situ con la presencia o ausencia observadas de licuefacción en sitios durante casos de sismo pasados. La Prueba de Molinete Piezoeléctrico (PVT) implica el colapso in situ del suelo bajo una acción de esfuerzo cortante al hacer girar un molinete insertado en un pozo de sondeo perforado en el suelo. El método se ha utilizado principalmente para cuantificar la resistencia al esfuerzo cortante de suelos cohesivos; sin embargo, recientemente se ha aplicado para deducir el potencial de un suelo a licuarse, mediante la medición de las presiones del 11
agua en los huecos durante el proceso de esfuerzo cortante. El método se basa en el esfuerzo cortante del suelo bajo estados de tensión totalmente diferentes con aquellos experimentados durante un sismo, y en la mayoría de los casos los suelos se colapsan inmediatamente. Por lo tanto, la PVT no impone alternancias de tensión de esfuerzo cortante en el momento en que el suelo podría experimentar durante un caso de sismo real. Las pruebas para medición de presión in situ se han utilizado por muchos años tanto para la cuant if icación de una propiedad de deformación de suelos como también por sus propiedades de resistencia. Estos dispositivos ya sea se han insertado en un agujero de sondeo, conducido o auto-perforación. Los medidores de presión de auto-perforación reducen al mínimo cualquier perturbación al suelo y así deforman sólo en grado mínimo el suelo antes de la prueba. En el caso de sondas conductoras, se han aplicado factores de corrección empírica para tomar en cuenta la perturbación del suelo provocada durante la conducción del dispositivo. No se han desarrollado dispositivos para medición de presión que puedan determinar el potencial de un suelo a licuarse.
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Por lo tanto, existe una necesidad evidente por un método para cuantificar in situ un potencial de suelo a licuarse bajo carga transitoria y repetida tal como por ejemplo, la experimentada durante un sismo. Este método tiene que colocar cíclicamente el suelo in situ bajo condiciones de tensión que sean análogas a aquellas generadas durante un sismo, es decir, alternancia de tensión de esfuerzo cortante. También existe una necesidad por un método para cuantificar in situ el impacto de la electro-osmosis para prevenir la licuefacción de suelos al reducir las presiones del agua intersticiales durante las alternancias de tensión de esfuerzo cortantes cíclicas.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN Se proporciona un método para determinar el potencial de licuefacción de un suelo saturado con agua en el cual una sonda conductora o de auto-perforación con una pluralidad de cámaras de expansión y contracción impone una alternancia de tensión de esfuerzo cortante cíclica sobre un cuerpo de suelo in situ, y el potencial de licuefacción del suelo se puede cuantificar a partir de la medición posterior de la respuesta de presión del agua 13
intersticial durante las alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas. Un aumento de la presión del agua intersticial durante las alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas, indica un suelo contráctil que tiene el potencial de licuarse. El método también puede cuantificar el potencial de electro-osmosis para evitar la licuefacción de suelos, al energizar electrodos mediante una fuente de energía d-c durante el comienzo de la licuefacción, y al medir la reducción en la presión del agua intersticial durante las alternancias de tensión de esfuerzo cortante repetidas posteriores impuestas sobre el suelo por el dispositivo. La presente invención es un método para determinar in situ el potencial de licuefacción de un suelo saturado con agua al colocar un cuerpo de suelo bajo alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas, bajo un cambio de volumen cero, y condiciones de agua intersticial sin drenar y al medir la respuesta de presión del agua intersticiales inducida posterior. Un aumento de presión del agua intersticial durante las alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas indica un suelo contráctil que tiene el 14
potencial de licuarse. La alternancia de tensión de esfuerzo cortante cíclicas se impone sobre el suelo mediante una sonda conductora de auto-perforación con una pluralidad de cámaras de expansión y contracción que imponen una alternancia de tensión cíclica sobre un cuerpo de suelo in situ. La expansión y contracción simultáneas de las cámaras bajo una condición de cambio de volumen cero se alcanza mediante el movimiento vertical hacia arriba y hacia abajo cíclico de un pistón dentro de un cilindro para presión de fluidos conectado a la pluralidad de cámaras. El sistema de fluidos asegura que las cámaras se expandan y contraigan simultáneamente bajo un cambio de volumen cero. El estado de tensión del suelo varía de una tensión principal máxima horizontal durante la fase de expansión de la cámara, y cambia a un estado de tensión principal máxima vertical durante la fase de contracción de la cámara. De esta forma, el suelo inmediatamente en la zona de influencia de las cámaras experimenta alternancias de tensión de esfuerzo cortante, muy similares a las impuestas en una prueba de laboratorio triaxial cíclica, con la excepción de que la prueba se conduce in situ sobre una masa de suelo sin alterar. La presión del agua 15
intersticial en el suelo se mide durante esta carga de alternancia de tensión de esfuerzo cortante cíclica que se ha impuesto bajo un cambio de volumen cero y condiciones sin drenar. La magnitud de la carga, el número de alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas y el cambio en la presión del agua intersticial cuantifica el potencial del suelo a licuarse. El dispositivo se conduce ya sea a profundidad, muy similar a la CPT, o se inserta en un pozo de sondeo perforado, o auto-perforado en el suelo. El dispositivo de auto-perforación impone la perturbación mínima sobre el suelo y así proporciona una medición directa de un potencial del suelo a presentar licuefacción. Un dispositivo conductor perturbará ligeramente el suelo durante la conducción y en general consolida y endurece el suelo de su estado sin alterar. Será necesario cuantificar una relación de correlación empírica para interpretar los resultados de la sonda dirigida para tomar en cuenta la ligera modificación del estado del suelo de su estado in situ sin alterar original. Durante la inserción del dispositivo al horizonte de profundidad correcto, el pistón en el cilindro para presión de fluido se mantiene en la 16
posición neutra o de equilibrio. Una vez en el horizonte de medición, el dispositivo se sujeta a la superficie para evitar el movimiento del dispositivo al asegurar las varillas de conexión más externas . Se activa la adquisición de datos, las cámaras se expanden y contraen cíclicamente, y la respuesta de presión del agua intersticial supervisada para cuantificar el potencial del suelo para licuarse. El pistón que conduce la expansión y contracción de las cámaras se puede mover cíclicamente hacia arriba y hacia abajo ya sea desde la superficie o por medios electromecánicos o hidráulicos mediante un aparato adecuado incluido en el fondo del orificio dentro del dispositivo. La frecuencia de expansión y contracción de las cámaras se conduce a frecuencias similares a alternancias de tensión de esfuerzo cortante experimentadas por el suelo durante los casos de sismos reales, es decir, aproximadamente 1 Hz. La presión del agua intersticial se puede medir mediante varios dispositivos, ya sea similares a aquellos en el equipo PCPT, o mediante dispositivos más precisos tales como por ejemplo, un manómetro para presión diferencial. El manómetro para la presión de agua intersticial puede ser un dispositivo indicador de 17
tensión, un pie zo-eléct rico , un alambre vibratorio, u otro dispositivo que proporcione una salida análoga para conexión y registro a un sistema de adquisición de datos comput ari zado . Además de supervisar la presión del agua intersticial, el sistema de adquisición de datos también registra simultáneamente el movimiento del pistón vía un Transformador Diferencial Variable Lineal (LVDT, por sus siglas en inglés) instrumentado y la presión de fluidos en cada cámara mediante indicadores de la presión de fluidos. De esta forma, el estado de carga, la frecuencia de carga, y la respuesta a la presión del agua intersticial se pueden registrar mediante el sistema de adquisición de datos computari zado simultáneamente. A partir de los análisis de estos datos, se puede cuantificar el potencial del suelo que experimentará licuefacción. De esta forma, el potencial de licuefacción del suelo se puede cuantificar ín situ mediante el método y aparato a partir de la medición posterior de la presión del agua intersticial durante las alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas impuestas sobre el suelo mediante el dispositivo bajo un cambio de volumen cero y bajo condiciones de agua intersticial sin drenar. Un 18
aumento de presión del agua intersticial durante las alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas, indica un suelo contráctil que tiene el potencial de licuarse. El método y el aparato también incluyen la activación de una diferencia potencial d-c a través de los electrodos contenidos dentro del dispositivo para imponer un gradiente de electro-osmosis proveniente de la masa del suelo, que experimenta las alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas, hacia los electrodos para alivio de presión del agua intersticial. El alivio de presión o los electrodos sumergidos contenidos dentro del dispositivo se energizan bajo una polaridad opuesta hacia la fuente o el electrodo de conducción, y el alivio de presión o electrodos sumergidos contienen una entrada para alivio de presión del agua intersticial para permitir que el agua intersticial entre al dispositivo bajo condiciones principales hidráulicas estáticas o reducidas. La reducción posterior en la presión del agua intersticial durante las alternancias de tensión cíclicas por el gradiente de electro-osmosis se registra electrónicamente mediante el sistema para adquisición de datos computari zado , que incluye los parámetros registrados anteriores más el voltaje 19
d-c impuesto y la corriente d-c inducida que fluye a través del suelo a través de los electrodos. Las entradas para alivio de presión del agua intersticial contenidas dentro del dispositivo se pueden abrir mediante una variedad de medios ya sea medios electromecánicos, hidráulicos o mecánicos en el momento de energizar los electrodos mediante la fuente de energía d-c. De esta forma, se puede cuantificar el potencial de la electro-osmosis para evitar la licuefacción del horizonte de suelo particular .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en sección transversal que muestra una forma de la invención para inducir in situ una alternancia de tensión de esfuerzo cortante cíclica sobre el suelo y la medición del cambio posterior en la presión del agua intersticial. La Figura 2 es una vista en sección transversal que muestra una forma de la invención en el estado de equilibrio y los dos estados de expansión y contracción extremos. La Figura 3 es una vista en sección transversal que muestra una forma de la invención 20
que incluye una desplazamiento del vástago del pistón hasta alcanzar la expansión y contracción simultáneas de las cámaras mostradas en el estado neutro o de equilibrio. La Figura 4 es una vista en sección transversal que muestra una forma de la invención que incluye un desplazamiento del vástago del pistón hasta alcanzar la expansión y contracción simultánea de las cámaras mostradas en el estado neutro o de equilibrio y los estados de expansión y contracción extremas para inducir una alternancia de tensión de esfuerzo cortante cíclica sobre el suelo in situ. La Figura 5 es una vista en sección transversal que muestra una forma de la invención para inducir in situ una alternancia de tensión de esfuerzo cortante cíclica sobre el suelo, al energizar concurrentemente un conjunto de electrodos para electro-osmosis , abrir los puertos para alivio de presión del agua intersticial en el dispositivo, y posteriormente medir el cambio en la presión del
La Figura 6 es una vista en sección transversal que muestra una forma de la invención en los estados de expansión y contracción de equilibrio y extremos para inducir in situ una alternancia de 21
tensión de esfuerzo cortante cíclica sobre el suelo, energizando concurrentemente un conjunto de electrodos para electro-osmosis, que abren los puertos para alivio de presión del agua intersticial en el dispositivo, y posteriormente medir el cambio en la presión del agua intersticial.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención es un método y un aparato para determinar in situ la tendencia de licuefacción de un suelo saturado con agua al colocar un cuerpo de suelo bajo alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas, bajo cambio de volumen cero, y condiciones de agua intersticial sin drenar y para medir la posterior respuesta de presión del agua intersticial inducida. Una forma de la invención se ilustra en la sección transversal de la Figura 1, con un dispositivo 30 que comprende múltiples vástagos externos roscados 1 dentro de los cuales están cables 2 electrónicos y de energía provenientes de los detectores del dispositivo conectados tanto a un sistema para adquisición de datos computarizado 3 como a una fuente de energía d-c 4. El dispositivo 30 ya sea se dirige o auto-perfora desde la superficie 5 en un suelo saturado 22
con agua 6 a una profundidad particular para la medición de la tendencia del suelo al licuarse. El dispositivo conductor 30 contiene una punta en forma de cono de PCPT 7 instrumentada convencional en su punto de avance, mientras que un dispositivo de auto-perforación 30 contiene un elemento auto-perforador en su punto de avance similar al que está disponible en los dispositivos para medir la presión de suelos auto-perforadores convencionales. El dispositivo 30 además consta de cámaras de expansión y contracción 8 y 9 que se alternan cíclicamente de la expansión hasta la contracción para la carga del suelo bajo una condición de cambio de volumen cero. Las cámaras 8 y 9 se construyen de una forma que es similar a los obturadores de extremo fijo convencionales. Las cámaras 8 y 9 se montan sobre un tope central, y cada cámara contiene un elemento de caucho reforzado de expansión y contracción. La presión del agua intersticial dentro del suelo que experimenta la carga cíclica se mide mediante un manómetro par presión de agua intersticial 10 contenido dentro del dispositivo 30. El sistema para adquisición de datos registra simultáneamente la expansión y contracción de las cámaras 8 y 9 y la respuesta de la presión del agua intersticial 23
inducida proveniente del manómetro 10. Los datos luego se pueden analizar de la misma forma utilizada junto con las pruebas de laboratorio convencionales. La carga cíclica del suelo mediante el dispositivo 30 se muestra además en la Figura 2, que ilustra tres estados, el estado neutro o de equilibrio 11, el estado 12 en el cual la cámara 8 se contrae completamente y la cámara 9 se expande completamente, y el estado 13 en el cual la cámara 9 se contrae completamente y la cámara 8 se expande completamente. En el estado neutro o de equilibrio 11, las cámaras 8 y 9 están en equilibrio de presión, y las cámaras 8 y 9 son del mismo tamaño y volumen. Durante la expansión y contracción cíclicas de las cámaras 8 y 9, inicialmente ambas cámaras 8 y 9 están en el estado neutro o de equilibrio 11, luego la cámara más elevada 8 se contrae por un cambio de volumen igual a la expansión de la cámara más baja 9, hasta alcanzar el estado 12. Después del estado 12 de las cámaras, la cámara más elevada 8 luego se expande a través de la posición de equilibrio 11 a su estado de expandido total 13, y simultáneamente la cámara más baja 9 se contrae a través del estado de equilibrio 11 y luego se contrae adicionalmente a su estado contraído 24
total 13. En el estado 12, el estado de tensión principal máxima del suelo 6 es vertical inmediatamente adyacente a la cámara contraída totalmente 8, y el estado de tensión principal máxima del suelo 6 está inmediatamente horizontal adyacente a la cámara expandida totalmente 9. De manera similar en el estado 13, el estado de tensión principal máxima del suelo 6 está inmediatamente horizontal adyacente a la cámara expandida totalmente 8, y el estado de tensión principal máxima del suelo 6 está inmediatamente vertical adyacente a la cámara contraída totalmente 9. De esta forma, el suelo 6 experimenta alternancias de tensión de esfuerzo cortante en las zonas inmediatamente adyacentes a las cámaras 8 y 9. La respuesta de la presión del agua intersticial inducida se supervisa mediante el manómetro de presión 10 a través de toda la carga cíclica del suelo 6. La expansión y contracción de las cámaras 8 y 9 se pulsa cíclicamente al número deseado de. alternancias de carga según se podría experimentar como el resultado de una onda inducida por un sismo, una corriente u otra carga repetida transitoria. Para un caso de sismo, la expansión y contracción de las cámaras 8 y 9 debe estar a una frecuencia de 25
aproximadamente 1 Hz. Para una corriente, la expansión y contracción de las cámaras 8 y 9 podría estar a una frecuencia tan alta como 10 Hz. Otra carga transitoria puede tener frecuencias tan bajas como 0.01 Hz . Una forma de la invención para alcanzar la expansión y contracción simultánea de las cámaras 8 y 9 se muestra en la Figura 3 en el estado neutro o de equilibrio 11. La expansión y contracción de las cámaras 8 y 9 se conduce mediante un fluido contenido en un cilindro para presión 14, conectado mediante una tubería 15 hacia la cámara más elevada 8 y también vía una tubería 16 hacia la cámara más baja 9. El fluido se extrae alternativamente desde las cámaras 8 y 9 y se inyecta en las mismas mediante el movimiento vertical de un pistón 17 conectado a un vástago conductor 18. La presión en cada una de las cámaras 8 y 9 se supervisa mediante los indicadores de presión 19 y 20 respectivamente y se registra en el sistema para adquisición de datos 3. El movimiento vertical del pistón 17 se supervisa por un transformador diferencial variable lineal 21 o un dispositivo similar, y la posición del pistón se registra en el sistema para adquisición de datos 3.
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Los tres estados de la expansión y contracción cíclica de las cámaras 8 y 9 se muestran en la Figura 4, el estado neutro o de equilibrio 11, el estado de contracción/expansión 12, y el estado de expansión/contracción 13. Cuando el dispositivo 30 está en el estado neutro o de equilibrio 11, el pistón 17 está más o menos centrado dentro del cilindro para fluidos 14. El movimiento hacia arriba del vástago 18 mueve el pistón 17 en el cilindro para fluidos 14 a su posición más elevada (estado 12) . Al hacerlo así, el fluido se extrae desde la cámara 8 y se inyecta en la cámara 9 en una forma controlada simultánea que no impone cambio de volumen en el suelo 6. El movimiento hacia abajo del vástago 18 conduce al pistón 17 desde el estado de contracción/expansión 12, a través del estado neutro o de equilibrio 11, hacia el estado de expansión/contracción 13. En el estado de expansión/contracción 13, el pistón 17 está en su posición más baja en el cilindro para fluidos 14. Mediante el movimiento del pistón 17 desde el estado de contracción/expansión 12 hacia el estado de expansión/contracción 13, el fluido se extrae desde la cámara 9 y se inyecta en la cámara 8. El desplazamiento de fluido por el pistón 17 del estado 27
neutro o de equilibrio 11 hacia el estado de contracción/expansión 12 se controla mediante el movimiento del vástago 18 para que sea exactamente el mismo que el desplazado por el pistón 17 del estado neutro o de equilibrio 11 hacia el estado de expansión/contracción 13. El movimiento cíclico del vástago 18 se puede conducir en la superficie mediante un sistema servo-accionado hidráulico convencional o alternativamente por medios electromecánicos que utilizan un solenoide o simplemente por medios mecánicos. En otra forma de la invención, el movimiento cíclico del vástago 18 podría ser un orificio inferior activado y controlado por un dispositivo ya sea hidráulico o electromecánico contenido dentro del dispositivo y controlado por instrumentación y una fuente de energía desde la superficie. En cualquier forma de la invención, el choque del pistón 17 se controla hasta alcanzar la expansión y contracción deseadas de las cámaras 8 y 9 y de esta forma la carga sobre el suelo. Además, la frecuencia del choque del pistón 17 se controla hasta alcanzar la proporción de carga deseada sobre el suelo . De esta forma, el estado de carga, la 28
frecuencia de carga, y la respuesta a la presión del agua intersticial todos se registran simultáneamente mediante el sistema para adquisición de datos computarizado . A partir del análisis de estos datos, se puede cuantificar la tendencia del suelo a experimentar licuefacción. Los datos provenientes de la prueba in situ se analizan de acuerdo con los métodos utilizados para analizar los datos adquiridos en las pruebas de laboratorio estándar para la licuefacción. En una forma modificada de la invención mostrada en la Figura 5 en el estado neutro o de equilibrio 11, el dispositivo contiene una fuente o electrodo de conducción 22, y dos electrodos para alivio de presión o sumergidos 23 con puertos para alivio de presión del agua intersticial 24. El electrodo de conducción se conecta a una polaridad de la fuente de energía d-c 4 en este caso denotado como positivo. Por lo tanto, el electrodo 22 es un electrodo anódico. Los electrodos para alivio de presión 23 se conectan a la polaridad opuesta de la fuente de energía d-c 4 y en este caso denotada como negativa. Por lo tanto, los electrodos 23 son electrodos catódicos. Todos los electrodos 22 y 23 se aislan eléctricamente y se aislan de otras 29
porciones del dispositivo, y estos electrodos sólo se conectan eléctricamente a la fuente de energía d-c 4 y al suelo saturado con agua 6. Los tres estados de expansión y contracción cíclicos de las cámaras se muestran en la Figura 6, el estado neutro o de equilibrio 11, el estado de contracción/expansión 12, y el estado de expansión/contracción 13. Durante la prueba de una tendencia del suelo a licuarse, el dispositivo 30 impone alternancias de tensión de esfuerzo cortante cíclicas sobre el suelo 6 mediante la expansión y contracción de las cámaras 8 y 9. Si se detecta un aumento en la presión del agua intersticial por el indicador de presión del agua intersticial 10, entonces el dispositivo 30 dentro de sus electrodos 22 y 23 puede cuantificar el potencial de electro-osmosis en la presión de agua intersticial adicional negativa en el suelo 6 y de esta forma su capacidad par evitar la licuefacción del suelo. En el momento de la detección de un aumento en la presión del agua intersticial por el manómetro 10 después de varias cargas de alternancia de tensión de esfuerzo cortante cíclica sobre el suelo 6, los electrodos 22 y 23 se energizan mediante la conexión a la fuente de energía d-c, y los puertos para alivio de presión 30
24 se abren dentro del dispositivo para permitir que el agua intersticial se desvie en el dispositivo 30 bajo la parte superior hidráulica ya sea estática o reducida. Los puertos para alivio de presión del agua intersticial 24 se pueden abrir mediante una variedad de medios, ya sea por medios electromecánicos, hidráulicos o mecánicos. Los puertos para alivio de presión del agua intersticial 24 contienen un elemento poroso para evitar que entre la tierra al puerto de alivio. De esta forma, el estado de carga, la frecuencia de carga, la respuesta a la presión del agua intersticial, el voltaje aplicado d-c, y la corriente inducida se registran todos simultáneamente por el sistema para adquisición de datos computari zado . A partir del análisis de estos datos, se puede cuantificar el potencial de la electro-osmosis para evitar la licuefacción de ese horizonte suelo particular. Por lo tanto, la presente invención se adapta bien para llevar a cabo los objetivos y alcanzar los fines y ventajas mencionados, asi como también otros inherentes en la presente. Mientras que se proporcionan modalidades de la invención preferidas actualmente para los fines de exposición, 31
muchos detalles en los detalles de construcción, arreglo de partes, y los pasos del proceso se sugerirán fácilmente por si mismos para aquellos expertos en la técnica y que abarcan dentro del espíritu de la invención y el alcance de las reivindicaciones anexas.