guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

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1 Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y psicrómetros en laboratorio Beltrán, F. [email protected] Universidad de los Andes, Colombia Caicedo, B. [email protected] Universidad de los Andes, Colombia Monroy, J. [email protected] Universidad de los Andes, Colombia ABSTRACT El desarrollo de la geotecnia y las demandas propuestas por el sector práctico de la ingeniería civil han impulsado el progreso de la mecánica de suelos clásica, enfocando la misma hacia el estudio particular de un conjunto de tipos de suelo determinados, tales como los suelos saturados. El avance en la investigación climática y la posibilidad de reconocer con más exactitud los materiales encontrados en el subsuelo son unas de las razones que han llevado a generar la necesidad de investigar más sobre otros parámetros, como la presión de poros negativa, los cuales afectan el comportamiento mecánico de los suelos, reconociendo así que alrededor del planeta las condiciones de saturación total no son las que prevalecen en el mismo, siendo los suelos no saturados los que predominan en grandes extensiones del mundo. Debido a lo anterior, la cuantificación exacta de estos parámetros ha sido un área de estudio relevante, ya que no solo es importante determinar su efecto sobre la estabilidad mecánica del mismo, sino también es de suma importancia la inclusión de protocolos correctos que aseguren una medición exacta. El presente artículo tiene como objetivo principal el desarrollo de una guía que sirva como herramienta para el uso y mantenimiento correcto de equipos de medición de presión de poros negativa, el cual es uno de los parámetros más importantes en el análisis de suelos no saturados, estos equipos son los tensiómetros y psicrómetros. A partir de este protocolo introductorio se esperaría optimizar el rendimiento de las mediciones en ensayos futuros. Palabras clave: tensiómetro, psicrómetro, succión matricial, succión total, compactación. 1. INTRODUCCIÓN La exactitud en las mediciones de succión en suelos no saturados radica principalmente en el buen uso de las herramientas disponibles para llevar a cabo las cuantificaciones necesarias. Para el desarrollo del presente documento, se propone analizar el comportamiento de la presión de poros negativa a lo largo de una serie de ciclos de compactación y posterior descarga. El objetivo de lo anterior hace referencia a la importancia que tienen los suelos compactados en el campo de la ingeniería y cómo estos abarcan una gran cantidad de contextos geotécnicos (Caicedo, 2014), por otro lado, el proceso de compactación se convierte en un método útil para determinar los rangos óptimos de medición de los equipos propuestos en este artículo.

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Page 1: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

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Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y psicrómetros en

laboratorio

Beltrán, F.

[email protected]

Universidad de los Andes, Colombia

Caicedo, B.

[email protected]

Universidad de los Andes, Colombia

Monroy, J.

[email protected]

Universidad de los Andes, Colombia

ABSTRACT

El desarrollo de la geotecnia y las demandas propuestas por el sector práctico de la ingeniería civil han

impulsado el progreso de la mecánica de suelos clásica, enfocando la misma hacia el estudio particular de

un conjunto de tipos de suelo determinados, tales como los suelos saturados. El avance en la investigación

climática y la posibilidad de reconocer con más exactitud los materiales encontrados en el subsuelo son unas

de las razones que han llevado a generar la necesidad de investigar más sobre otros parámetros, como la

presión de poros negativa, los cuales afectan el comportamiento mecánico de los suelos, reconociendo así

que alrededor del planeta las condiciones de saturación total no son las que prevalecen en el mismo, siendo

los suelos no saturados los que predominan en grandes extensiones del mundo. Debido a lo anterior, la

cuantificación exacta de estos parámetros ha sido un área de estudio relevante, ya que no solo es importante

determinar su efecto sobre la estabilidad mecánica del mismo, sino también es de suma importancia la

inclusión de protocolos correctos que aseguren una medición exacta. El presente artículo tiene como

objetivo principal el desarrollo de una guía que sirva como herramienta para el uso y mantenimiento correcto

de equipos de medición de presión de poros negativa, el cual es uno de los parámetros más importantes en

el análisis de suelos no saturados, estos equipos son los tensiómetros y psicrómetros. A partir de este

protocolo introductorio se esperaría optimizar el rendimiento de las mediciones en ensayos futuros.

Palabras clave: tensiómetro, psicrómetro, succión matricial, succión total, compactación.

1. INTRODUCCIÓN

La exactitud en las mediciones de succión en

suelos no saturados radica principalmente en el

buen uso de las herramientas disponibles para

llevar a cabo las cuantificaciones necesarias. Para

el desarrollo del presente documento, se propone

analizar el comportamiento de la presión de poros

negativa a lo largo de una serie de ciclos de

compactación y posterior descarga. El objetivo de

lo anterior hace referencia a la importancia que

tienen los suelos compactados en el campo de la

ingeniería y cómo estos abarcan una gran cantidad

de contextos geotécnicos (Caicedo, 2014), por

otro lado, el proceso de compactación se

convierte en un método útil para determinar los

rangos óptimos de medición de los equipos

propuestos en este artículo.

Page 2: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

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1.1. Revisión de conceptos teóricos:

Succión.

En principio, es importante definir la

composición común de un suelo no saturado en

función de sus fases. En la Figura 1 se puede

apreciar el perfil general de un suelo no saturado

constituido por una serie de divisiones, en la parte

izquierda del perfil se incluye el cambio de la

presión de poros en relación a la profundidad,

donde entre más seco se encuentre el suelo, la

presión tenderá a ser más negativa, mientras que

en la interfaz entre la tabla de agua y la zona

capilar, la presión de poros es igual a la presión

atmosférica (0 kPa).

Figura 1. División de fases en suelo no saturado.

Es de especial análisis el comportamiento dentro

de los poros en la zona donde se encuentra agua y

aire en estado continuo, ya que se se evidencia la

presencia de meniscos alrededor de los límites de

cada poro (Figura 2.a), los cuales se mantienen en

este estado debido al desbalance de fuerzas

producido sobre las partículas ubicadas en la

interfaz aire-agua (Figura 2.b). Con el objetivo

de mantener un equilibrio en el menisco formado

en los poros, es necesaria para la interfaz generar

una fuerza de tensión sobre la superficie del

mismo, lo anterior es posible debido a la

propiedad de tensión superficial (Fredlund &

Rahardjo, 1993).

Figura 2. (a) interfaz aire-agua en suelos no saturados; (b) desbalance de fuerzas en partículas de agua en superficie.

Los meniscos mostrados anteriormente toman su

forma como resultado de una caída en la presión

actuante a cada lado de la interfaz, el menisco se

encuentra expuesto tanto a la presión de aire (𝑢𝑎),

como a la presión de agua (𝑢𝑤), la diferencia

entre estas presiones dentro de los poros se

conoce como succión matricial. Este concepto en

términos de succión se define como la presión de

poros negativa resultante de la medición de la

presión parcial de vapor de agua que se encuentra

en equilibrio con el agua dentro del suelo en

relación con la presión parcial de vapor en

equilibrio con una solución de composición

idéntica a la del agua dentro de este suelo (como

se cita en Fredlund & Rahardjo, 1993, p. 65). Por

otro lado, dentro del suelo se presentan otros dos

tipos de succión. Por una parte cuando existe

presencia de sales en el fluido ubicado dentro de

los poros, se presenta una interacción físico-

química entre la solución y los minerales propios

del suelo, lo anterior se denomina como succión

osmótica (Wan, Gray & Graham, 1995). La

suma entre la succión matricial debida

principalmente a efectos de capilaridad y la

succión osmótica consecuencia de la presencia de

sales en la estructura de suelo da como resultado

el concepto de succión total.

2. MATERIALES Y EQUIPO

2.1. Medición de succión matricial

De forma teórica, el potencial de agua es la

medición resultante en términos del potencial

energético entre el agua encontrada dentro de una

muestra y agua pura no expuesta a esfuerzos

Page 3: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

3

externos (agua libre). A partir de esto, la medición

directa de succión matricial se compone de cuatro

elementos básicos: por un lado, se tiene el agua

expuesta a las interacciones presentes dentro de

una muestra de suelo; en segundo lugar se tiene

agua pura destilada – desionizada; el tercer

elemento se define como un disco poroso o

cerámico, el cual asegura una deficiencia en

términos de presión entre el agua pura y el aire

circundante en el suelo; y por último, se hace uso

de un sistema de medición de presión que entra en

contacto directo con la muestra de agua destilada

– desionizada. A partir de lo anterior, cuando el

sistema compuesto por el medidor de presión, el

agua pura y el disco poroso entran en contacto

directo con el suelo, se efectúa un gradiente

hidráulico, el cual produce un flujo que pasa a

través del disco, y cuando el sistema llegue al

equilibrio, se determina el valor de succión

matricial (Guan, 1996). Para determinar este

valor, se usó un conjunto de tensiómetros UMS –

T5x, los cuales utilizan el principio anteriormente

expuesto para establecer el valor correspondiente

al potencial matricial del agua a través de una

punta de cerámica porosa de alto grado.

Como se puede apreciar en la Figura 3, el

tensiómetro se encuentra compuesto en general

por cuatro elementos, los cuales se expondrán a

continuación:

1. Cerámica porosa: además del sensor de

presión, este elemento determina la

capacidad última del instrumento en

función a su capacidad de entrada de aire.

Este elemento se encuentra elaborado de

cerámica con pequeños poros llenados

con agua degaseada. Se debe procurar

mantener la cerámica siempre

humedecida con agua pura.

2. Asta de acrílico: componente frágil que

permite el almacenamiento de agua

destilada – desionizada.

3. Cuerpo del sensor: en este se encuentra

un sensor piezoeléctrico de presión, el

cual mide la succión en relación a la

presión atmosférica medida en la

membrana de presión atmosférica.

4. Membrana de presión atmosférica: en

este componente se mide la presión

atmosférica del aire. Este elemento debe

siempre dejarse libre, sin riesgos de

contaminación.

Figura 3. Componentes T5x.

El rendimiento teórico de este equipo cubre

rangos tanto de presión como de tensión. Para el

equipo T5x se pueden medir valores máximos de

-160 kPa bajo condiciones adecuadas, las cuales

se especificarán más adelante en esta sección. Por

otro lado, se presenta una limitación en

mediciones de presión. Para este rango se debe

procurar que el equipo no llegue al límite no

destructivo de 300 kPa, ya que a partir de este

punto el sensor de presión se vuelve totalmente

ineficiente, presentando daño permanente.

A continuación, se presentarán una serie de

ventajas en cuanto al uso de este equipo, así como

las limitaciones que presenta el mismo:

Page 4: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

4

Ventajas:

Medición precisa de presiones negativas,

incluyendo aquellas muy cercanas a 0.

Posibilidad de medir tanto presión

positiva como presión de poros negativa.

Bajo condiciones de llenado ideales, se

esperaría un tiempo de respuesta rápido

de hasta 5 segundos.

La conexión análoga del equipo permite

monitorear en tiempo real los valores de

presión o tensión medidos en el suelo.

Relación lineal entre la señal de salida en

mV y la unidad común de medida de

presión (kPa).

Limitaciones:

Se presentan limitaciones en suelos

secos. Debido a la baja humedad que

estos presentan, las succiones matriciales

tenderán a ser muy altas, lo cual se sale

del rango óptimo de medición de los

equipos.

Para uso en campo, es necesario el uso de

suficiente protección mecánica, esto

debido a que es un equipo relativamente

frágil a cambios súbitos de presión o

rompimiento de sus elementos.

Debido a la alta sensibilidad del sensor de

presiones interno, la más pequeña

burbuja de aire que se forme dentro del

asta de acrílico conlleva a una

disminución importante en la precisión de

las mediciones. Por otro lado, estas

burbujas generan una inversión en el

flujo, produciendo que el agua se mueva

desde el sistema hacia el suelo,

concluyendo en la cavitación del equipo.

No es resistente al congelamiento, por lo

tanto hay que monitorear la temperatura a

la cual se encuentra expuesto para evitar

daños en el sensor interno.

Para procurar un buen rendimiento del equipo, es

importante tener especial cuidado en las

condiciones en las cuales este sea utilizado y las

aplicaciones a las cuales el equipo sea sometido,

entre los requerimientos más importantes se

encuentran:

Se requiere que el suelo no tenga

potenciales negativos más allá de -80 kPa

en la mayoría de los casos, de lo contrario

se presentaría una cavitación del mismo

debido a las altas succiones presentadas,

lo cual sucede en suelos secos.

El uso principal de este instrumento es el

de medir de forma puntual el potencial de

agua en el suelo. La toma de datos de

forma continua a lo largo del tiempo

puede generar burbujas internas,

descalibración del equipo y posterior

perdida de la precisión en las mediciones,

tal y como se ve en la sección de

resultados de este artículo.

Siempre se debe mantener libre de

contacto la membrana de medición de

presión atmosférica, de igual forma no se

debe tocar nunca con los dedos la punta

cerámica del instrumento, esto podría

contaminarla y por consiguiente

disminuiría su rendimiento, como se dijo

anteriormente es recomendable siempre

mantenerla humedecida con agua pura.

2.2. Medición de succión total

Para la medición de la succión total en el suelo

se usaron dos equipos distintos, un psicrómetro

Wescor PST-55-30 con punta recubierta de acero

inoxidable (screen-caged) conectado a una

estación de medición PSYPRO y un medidor de

succiones totales WP4-T, este último se usó solo

para medir el potencial de agua antes y después de

las pruebas de compactación. El psicrómetro

PST-55-30 se define como un psicrómetro de

termocupla, este tipo de instrumento permite

determinar el potencial de agua a partir de la

medición de la humedad relativa en equilibrio con

el suelo. A partir de este parámetro se puede

calcular la succión total usando la siguiente

ecuación:

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5

𝛹 = (𝑅𝑇

𝑉𝑤) 𝑙𝑛 (

𝑒

𝑒0)

Donde “Ψ” se refiere a la succión total, “RT” es

la multiplicación entre la constante universal de

los gases y la temperatura absoluta en K, “e” se

define como la presión parcial de vapor de agua y

"𝑒0" es la presión de vapor saturada, donde el

cociente entre estos dos últimos términos da lugar

a la humedad relativa.

El funcionamiento del psicrómetro termocupla

PST-55-30 consiste en el uso del efecto Peltier

para crear un diferencial de temperatura en las

juntas de referencia internas. A continuación se

muestra la operación realizada en el psicrómetro

para obtener los valores de humedad relativa y

posteriormente calcular el potencial de agua, este

último paso se realiza internamente en la estación

PSYPRO.

1. En primer lugar, el sistema inyecta una

corriente de 8 mA durante un tiempo

determinado, esto produce que una de las

uniones se enfríe y la otra se caliente,

liberando de esta forma calor, que

establece la temperatura de la termocupla

por debajo de la temperatura del punto de

rocío, lo anterior resulta en la

condensación de agua en la unión de

referencia.

2. Cuando el tiempo de enfriamiento se

cumple, se apaga la corriente,

permitiendo así establecer la depresión en

la temperatura requerida. Teniendo lo

anterior, se mantiene una temperatura

constante, lo cual se logra pocos

segundos después de cortar la corriente

cuando se utilizan pequeñas juntas como

las que posee el PST-55-30 (Figura 4).

3. Cuando se asegura una temperatura que

tiende a ser constante, la estación

PSYPRO comienza a recolectar los datos

necesarios para determinar el valor del

potencial de agua total y a promediar los

mismos a discreción del usuario.

Figura 4. Psicrómetro termocupla PST-55-30; (a) Componentes internos del instrumento (Kirkham, 2004); (b) Psicrómetro usado en el proyecto.

El rango de medición teórico del psicrómetro

termocupla usado en este análisis comprende

valores entre 0 y -8 MPa. Cuando en el suelo se

presentan potenciales de agua totales más

negativos que este valor, la temperatura de rocío

tiende a estar a más de 0,6°C por debajo de la

temperatura del ambiente, esto genera que la

eficiencia del efecto Peltier disminuya y no sea

posible condensar la cantidad suficiente de agua

para tomar mediciones estables (Andraski &

Scanlon, 2002).

Ventajas

Permite medir succiones altas, por lo cual

puede usarse en suelos secos con un gran

rango de humedades. Cabe aclarar que

para suelos muy secos hay ciertas

limitaciones, las cuales se tocarán a fondo

más adelante.

Su uso es sencillo, después de calibrado

el equipo se inserta en el suelo con una

corta serie de recomendaciones, a partir

de esto se toman los datos que se

registrarán en el PSYRPO.

Por otro lado, a diferencia del T5x, no se

presentan problemas de cavitación.

Limitaciones:

Como se mencionó anteriormente, para

un suelo muy seco (humedades cercanas

a 5% en caolín) se presentan problemas

Page 6: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

6

en la medición, esto debido a que los

potenciales de agua encontrados en estas

muestras superan el rango óptimo de

medición del equipo.

Debido a la teoría de operación del

psicrómetro termocupla, su uso se limita

a entornos totalmente controlados, en los

cuales se asegure estabilidad de

humedad y temperatura entre otros, por

lo anterior no es recomendable para ser

usado in situ.

El equipo debe ser debidamente

calibrado antes de utilizarse, siendo la

calibración un proceso complejo en el

cual debe asegurarse una temperatura

constante en el ambiente. Si se usa un

equipo que no se ha calibrado

previamente, las mediciones pueden

diferir a las esperadas en mucho más de

un 100%.

Conociendo lo anterior, se propone consignar una

serie de recomendaciones mostradas a

continuación, esto con el objetivo de asegurar la

precisión en la toma de medidas de succión total.

Recomendaciones de uso

Es importante llevar a cabo una

calibración adecuada. Este proceso se

mostrará en la siguiente sección.

Para obtener mediciones precisas, debe

asegurarse que no existan gradientes de

temperatura en el espacio que rodea al

psicrómetro dentro del suelo, esto genera

cambios drásticos en las juntas de

medición debido a la gran influencia que

tiene esta propiedad física a la hora de

tomar mediciones. Para solucionar

parcialmente este problema se

recomienda que el ensayo se lleve a cabo

bajo condiciones de temperatura

totalmente controladas.

Se recomienda realizar un chequeo de los

parámetros eléctricos antes de comenzar

las pruebas, esto incluye la correcta

conexión del instrumento a la estación de

medición. Como se vio anteriormente, el

funcionamiento del psicrómetro

termocupla depende de un concepto

eléctrico, lo cual infiere que si el

amperaje de la corriente de Peltier o el

tiempo de aplicación de la misma no son

los correctos, podrían llegarse a tomar

medidas incorrectas y en ciertos casos

dañar el equipo.

Calibración de psicrómetros

La calibración de los psicrómetros consiste en

encontrar un factor que relacione los resultados de

succión total experimentales en una serie de

soluciones de NaCl con los resultados de succión

total provenientes de un ensayo realizado bajo

condiciones controladas sobre las mismas

soluciones, tal y como lo recomienda Lang

(1967).

Para disminuir las fuentes de error durante la

calibración, se sugiere seguir el procedimiento

descrito por Fredlund (1993) y Brown & Bartos

(1982), el cual consiste en disponer de una cámara

totalmente sellada, en la base y las paredes de esta

se pone un papel filtro saturado con una solución

de cloruro de sodio a una determinada molalidad

(Figura 5). Posterior a esto, se introduce el

psicrómetro y se sella herméticamente la cámara

dejando suspendido el instrumento dentro de la

misma.

A partir de esto, se debe esperar a que la presión

interna de la cámara se equilibre, esto puede

variar entre 2 a 6 horas para cada solución (Brown

& Bartos 1982) dependiendo de las condiciones

del entorno y del tamaño de la cámara, por esto es

importante realizar la calibración en una

habitación con temperatura controlada.

Luego de que las muestras se equilibren y el

potencial de agua medido sea relativamente

constante, se registran estos datos. El anterior

proceso debe realizarse para cada una de las

molalidades escogidas. De acuerdo con Brown &

Bartos (1982), es suficiente con comparar los

potenciales de tres soluciones a tres distintas

molalidades, las cuales se exponen a una sola

Page 7: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

7

temperatura, se sugiere usar soluciones a 0.5, 1 y

1.5 molal a 25°C.

Figura 5. Esquema del montaje para calibración de psicrómetros.

Los resultados recolectados en estos ensayos

deben compararse con los datos teóricos para

potenciales de agua de cloruro de sodio a las

mismas molalidades probadas experimentalmente

(Lang, 1967). A continuación, se muestran los

potenciales totales teóricos para cada molalidad.

Figura 6. Succiones totales teóricas para soluciones de NaCl (Lang, 1967).

Estos potenciales de agua se encuentran en bares,

para realizar la conversión a MPa basta con

multiplicar los mismos por 0.1. Por otro lado, en

la siguiente tabla se muestran los resultados de las

succiones totales experimentales con su

respectivo valor teórico.

Tabla 1. Resultados para calibración de psicrómetros con NaCl.

A partir de estos resultados, se grafica la succión

experimental contra la succión teórica y se

incluye una línea de tendencia lineal, el factor de

calibración que se usará más adelante para

modificar las medidas de succión obtenidas en el

suelo, corresponde al resultado del inverso de la

pendiente de esta línea de tendencia. Para la

calibración realizada en el presente estudio, da

como resultado una pendiente de 0.4001, lo cual

concluye en un factor de calibración aproximado

de 2.5.

Figura 7. Relación entre succión teórica y succión experimental en ensayo de calibración.

WP4-T

Con el objetivo de comparar las mediciones de

succión total recolectadas por el PST-55-30, se

utilizó el equipo WP4-T. Este equipo presenta

grandes ventajas en comparación a los demás

instrumentos de medición de potencial total de

agua, entre las ventajas más importantes reluce su

amplio rango de medición, el cual cubre tensiones

de entre 0 a -300 MPa. Por otro lado, presenta

tiempos de respuesta rápidos en relación con las

altas succiones que mide, las cuales muestran una

precisión cercana al ±1% para rangos entre -10 y

0,5 2,281 0,11

1 4,64 0,42

1,5 7,134 2,04

Concentración

NaCl (m)

(MPa)

(MPa)

y = 0,4001x - 1,0178R² = 0,8776

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

S. e

xper

imen

tal (

MP

a)

S. Teórica (MPa)

Page 8: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

8

-300 MPa y de ±0,1 MPa para valores menores a

-10 MPa (Decagon, 2007).

Este instrumento utiliza la técnica de punto de

rocío para determinar la succión total en una

muestra de suelo. Esta técnica consiste

básicamente en crear un sistema equilibrado entre

la muestra y el aire dentro de una cámara sellada,

este equilibrio se logra cuando el potencial de

agua en el aire circundante en la cámara es igual

al potencial de agua dentro de la muestra, lo

anterior se alcanza cuando la temperatura es la

suficiente para comenzar la condensación; en este

punto una termocupla ubicada en el espejo

incrustado debajo de la muestra registra esta

temperatura y avisa al usuario que el sistema ha

llegado al equilibrio, a partir de esto se pueden

registrar los datos de succión total obtenidos para

cada muestra. La principal limitación de este

instrumento radica en que no es posible realizar

un registro continuo mientras se lleva a cabo un

determinado ensayo, teniendo lo anterior se

tomaron medidas antes del ensayo de

compactación y después del mismo.

Figura 8. Equipo de medición de succión total por punto de rocío WP4-T.

2.3. Equipo de carga y modelo

El equipo a utilizar para realizar el proceso de

compactación fue una prensa “Digital Tritest 50

Load Frame” de ELE International, esta prensa

tiene la capacidad máxima de aplicar una carga de

5 toneladas. El funcionamiento de esta prensa se

basa en el control de deformación. Este equipo

inicia su proceso de compactación a partir de una

velocidad en milímetros por minuto que el usuario

impone en la pantalla principal. En la siguiente

sección, se exponen los ciclos de compactación y

las velocidades de deformación establecidas para

cada escalón del ensayo realizado en este estudio.

Por otro lado, el modelo en el cual se dispuso el

suelo y se llevó a cabo la compactación constaba

de un recipiente de acrílico de 17.5 centímetros de

diámetro interno, este poseía una atura

aproximada de 10 centímetros, con un recipiente

base en acrílico construido para contrarrestar los

esfuerzos generados por la compactación y así

evitar posibles fugas de suelo o agua y

rompimiento del elemento. El recipiente se

dividía en dos partes, la parte base con la placa

gris de acrílico grueso y una parte superior, creada

con el propósito de poder insertar los equipos una

vez se tiene aproximadamente la mitad del

volumen total requerido de suelo. A continuación,

se muestran los elementos usados para el montaje

del ensayo.

Donde:

1. Recipiente base de acrílico.

2. Base para aplicación de deformación de

la prensa.

3. Psicrómetro termocupla Wescor PST-55-

30.

4. Tensiómetro UMS T5x.

5. Placa metálica para distribución de

esfuerzos.

6. Pantalla principal donde se establecen las

velocidades de deformación en mm/s.

Page 9: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

9

Figura 9. Elementos necesarios para el montaje.

2.4. Ciclos de compactación

El proceso de compactación se basó en 3 ciclos

de carga y descarga cada uno, los cuales fueron

llevados a cabo a deformación controlada tal y

como se expuso anteriormente. En primera

instancia, la velocidad de deformación en el

escalón inicial de carga se calculó para mantener

una razón de deformación inicial de 40 µstrain/s,

asegurando una deformación unitaria aproximada

del 20% (Caicedo, 2014). Por otro lado, se llevó a

cabo un ensayo de prueba con el objetivo de

determinar las velocidades de carga y descarga

subsecuentes, en la siguiente tabla se consignan

las tasas de deformación utilizadas, las cuales

permitieron llevar a cabo un correcto análisis del

comportamiento interno de la succión para cada

ciclo de compactación.

Tabla 2. Velocidades de deformación.

Como se ve en la Tabla 2, fue necesario disminuir

la velocidad de carga a partir del primer ciclo, esto

debido a que se esperaría llegar al esfuerzo limite

por escalón de forma más rápida si se aplica la

misma tasa inicial, lo cual incidiría en un

comportamiento no tan preciso en función del

tiempo de respuesta de los equipos insertados en

el modelo, debido a esto se disminuye en un 50%

la velocidad de carga de los ciclos restantes. En

términos de carga, el esfuerzo máximo inicial

corresponde a 150 kPa, este se va aumentando a

razón de 150 kPa por escalón, dando como

resultado un esfuerzo máximo último de 450 kPa.

Posterior a esto, el ciclo de descarga se cumple

cuando se alcanza un esfuerzo correspondiente a

la cuarta parte del esfuerzo inicial, el cual

corresponde a 37.5 kPa. A partir de lo anterior,

cuando el esfuerzo aplicado llegue tanto a los

valores máximos como mínimos, se deja

constante el mismo durante 30 minutos.

2.5. Material

Preparación de suelo

El suelo utilizado en el presente estudio

corresponde a caolín, el cual es una arcilla

perteneciente al grupo de los silicatos. Las

características relevantes para este material se

muestran en la Tabla 3. La gravedad específica

fue determinada en el laboratorio de suelos de la

Universidad de los Andes.

Tabla 3. Características del caolín usado.

Para evaluar el rendimiento de los equipos

medidores de succión, se llevó a cabo la

preparación de cinco unidades de suelo, cada una

con una humedad diferente, la cual variaba entre

5% a 25%, aumentando la misma en 5% para cada

uno de los suelos preparados. La preparación del

suelo se llevó a cabo siguiendo los lineamientos

propuestos por Tarantino & De Col (2008), a

partir de este protocolo y procesos que se

evidenciaron durante esta actividad, se registraron

una serie de recomendaciones importantes para

llevar a cabo una preparación adecuada del

material, estas recomendaciones se muestra a

continuación:

mm/min mm/s

Ciclo de carga inicial (1) 0,3 0,005

Ciclos de carga 2 y 3 0,15 0,0025

Descarga -0,03 -0,0005

PendienteVelocidad

Límite líquido (%) 55

Límite plástico (%) 30

Gs 2,63

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10

1. Antes de determinar las cantidades de

agua necesarias para lograr una

determinada humedad, debe realizarse

una prueba de humedad natural. Esta

consiste en determinar la humedad que

posee el suelo en el bulto adquirido.

Para llevar a cabo esta prueba deben

extraerse por lo menos tres muestras

provenientes del conjunto total de suelo

que se dispone, a partir de esta extracción

se pesa la cantidad de suelo y la tara sin

material en la cual se adiciona el mismo.

Posterior a esto, se insertan las muestras

en un horno a 110°C, temperatura a la

cual se espera la evaporación total del

agua natural que se encuentra dentro del

suelo (Bowles, 1981). Pasadas 24 horas

desde que se introducen las muestras al

horno, se sacan y se pesan de nuevo,

teniendo estos datos se calcula la

humedad natural tal y como sigue a

continuación:

Teniendo que el porcentaje de humedad

en un suelo se determina por:

%𝐻 =𝑊𝑤

𝑊𝑠∗ 100

Donde "𝑊𝑤" es el peso de agua dentro de

la muestra y "𝑊𝑠" corresponde al peso de

suelo seco. A partir de esto se determina

que la humedad natural es:

%𝐻𝑛 =𝑊𝑤+𝑡 −𝑊𝑠+𝑡

𝑊𝑠+𝑡 −𝑊𝑡∗ 100

Donde:

𝑊𝑤+𝑡: Peso total de la muestra

húmeda (antes de secar en el

horno), este incluye el peso de la

tara.

𝑊𝑠+𝑡: Peso total de la muestra

seca, incluyendo el peso de la

tara.

𝑊𝑡: peso correspondiente a la

tara o recipiente para cada

muestra.

Luego de determinar la humedad natural,

se pueden realizar los cálculos para

establecer la cantidad de agua necesaria

faltante.

2. El proceso de preparación del suelo debe

ser rápido y cuidadoso, esto con el

objetivo de asegurar que las cantidades de

material y agua necesarios efectivamente

se estén adicionando y además evitar

pérdidas por evaporación cuando el suelo

se esté mezclando.

3. Se recomienda adicionar el agua por

medio de un rociador, de esta forma se

procura que el agua se distribuya en toda

la cantidad de suelo, evitando formación

de grandes grumos.

4. Si se usa una batidora de baja capacidad

de almacenamiento, es recomendable

mezclar cantidades de suelo por capas,

teniendo especial cuidado en adicionar el

agua en el suelo y no en las paredes de la

máquina.

5. Cuando se haya mezclado correctamente

el suelo con el agua, se debe disponer de

un tamiz con apertura cercana a un

milímetro. En este tamiz se pone una

parte de la mezcla anteriormente

realizada, con ayuda de una espátula y

vibrando el elemento, se dispone a

disgregar los grumos resultantes de la

unión entre partículas de agua y suelo.

6. El contenedor donde se tiene el suelo a

mezclar y el recipiente en el cual se

guarda el resultado final luego de su paso

por el tamiz deben mantenerse tapados,

esto evita que se pierda agua y

posteriormente se disminuya la humedad

del conjunto.

7. Cuando se termine de mezclar todo el

material para una determinada humedad,

se debe guardar en un recipiente sellado

herméticamente, el cual deberá

permanecer en un cuarto con una

temperatura relativamente constante

durante por lo menos 7 días, esto se

realiza con el objetivo de asegurar una

homogeneidad en la humedad de todo el

conjunto (Tarantino & De Col (2008).

Page 11: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

11

8. Es recomendable que se prepare más

material del cual se piensa probar, esto

crearía un margen de cantidades que

favorece la prueba de varios especímenes

sin tener que volver a invertir tiempo en

la preparación del mismo.

Preparación de muestras y montaje en prensa

Cuando se han cumplido por lo menos 7 días

en los cuales se deja en reposo el material

preparado anteriormente, se procede a conformar

las muestras necesarias para realizar las pruebas

de compactación. En la siguiente figura, se

exponen los materiales necesarios para llevar a

cabo este proceso.

Figura 10. Herramientas para preparación de muestras.

Donde:

1. Placa metálica para distribución de

esfuerzos: este elemento se pone en la

parte superior del recipiente, con el

objetivo de distribuir de forma equitativa

los esfuerzos ejercidos por la prensa.

2. Espátula plástica: con el objetivo de

preservar la integridad de los equipos

insertados en el suelo, debe hacerse uso

de una espátula plástica y no metálica

para acomodar el arreglo de partículas

cuando se esté adicionando la mezcla

sobre el T5x y el PST-55-30.

3. Pala plástica: se utiliza para verter

grandes cantidades de suelo dentro del

recipiente.

4. Placa base de acrílico: en esta comienza

a adicionarse el suelo hasta llegar a su

límite superior.

5. División superior de acrílico: luego de

insertar los equipos, se adecua la placa

superior para seguir llenando el

recipiente.

6. Mazo para pre-compactación.

7. Papel filtro: se usa para evitar el

intercambio de humedad con el exterior.

8. Recipiente plástico: se utiliza para evitar

desperdiciar gran cantidad de material

durante la pre-compactación.

9. Recipiente sellado herméticamente: es el

recipiente en el cual se guarda la mezcla

de suelo y posteriormente se deja en

reposo durante por lo menos 7 días tal y

como se mencionó anteriormente.

A continuación, se expone el procedimiento

detallado para preparar las muestras de suelo y su

posterior montaje en la prensa, este deberá

repetirse cada vez que se vaya a llevar a cabo un

ensayo.

1. Deberá cortarse el papel filtro con el

mismo diámetro del recipiente donde se

pondrá el suelo, este se colocará al final

del procedimiento pero se recomienda

tenerlo listo desde el principio para evitar

intercambios de humedad en todo el

proceso.

2. Comenzar a adicionar el suelo por capas

hasta el límite superior del recipiente

base. Debido a lo suelto que este pueda

encontrarse al inicio del ensayo, siendo

los suelos con menores contenidos de

humedad más sueltos que las mezclas

más húmedas, es necesario realizar un

proceso de pre-compactación por cada

capa en todos los especímenes utilizando

el elemento #6 de la figura 10. Para el

presente estudio se imprimieron 30

golpes por capa para mezclas con 20% y

25% de humedad, para mezclas con

humedades menores se compactó con 40

golpes por capa.

Page 12: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

12

Figura 11. Proceso de pre-compactación inicial (a) recipiente base donde se adiciona el suelo; (b) suelo sin pre-compactar; (c) compactación con el mazo; (d) suelo pre-compactado.

1. Cuando se llegue al límite superior de la

división base del recipiente, se insertan

los instrumentos en el suelo. Se debe

tener especial cuidado con la inclusión

del T5x en el material, este debe

insertarse de forma completamente

horizontal y con la mayor parte de cable

posible dentro del molde, esto es

importante debido a que se debe evitar

que el instrumento cree algún tipo de

ángulo con respecto a la horizontal, lo

cual a lo largo del proceso de

compactación podría resultar en el

rompimiento del asta, como se vio

anteriormente es bastante frágil. Además,

es importante mencionar que el sistema

de toma de medidas para el T5x debe

ponerse en 0 inmediatamente antes de

insertarse el mismo en el suelo, este valor

deberá ser anotado ya que será tomado

como el nuevo valor de succión 0 para

todo el proceso. Por otro lado el

psicrómetro debe insertarse de forma

horizontal, procurando que su punta no

quede en contacto con el otro equipo.

2. Cuando se incluyan los equipos en el

suelo, se procede a poner la división

superior de acrílico, teniendo cuidado con

no presionar los cables cuando se esté

uniendo el recipiente (Figura 12).

3. Luego de insertar la división superior de

acrílico, se sigue adicionando el suelo,

acomodando el mismo con la espátula de

plástico y posteriormente compactándolo

con el mazo. El suelo que se adicione

sobre la punta cerámica del tensiómetro

debe humedecerse un poco con agua

destilada – desionizada, esto favorecerá

al rápido equilibrio de las mediciones de

succión.

Figura 12. Preparación final de muestra (a) Se ponen los instrumentos de forma horizontal; (b) montaje de división superior; (c) adición de suelo sobre instrumentos con espátula plástica.

4. Cuando se tenga la muestra pre-

compactada hasta el límite superior del

recipiente, se pone el papel filtro cortado

anteriormente y la placa metálica (#7 y

#1. Figura 10), procurando que quede

nivelada y de forma horizontal en cada

borde del recipiente, esto es sumamente

importante debido a que deben evitarse

asentamientos diferenciales que

conlleven a daños en los equipos

insertados. El montaje final se muestra en

la Figura 13.

5. Se inserta la velocidad de carga inicial

deseada para el primer escalón y se

comienza el ensayo de compactación.

Page 13: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

13

Figura 13. Montaje completo.

3. PROCEDIMIENTO DE USO Y

LIMPIEZA DE EQUIPOS

Anteriormente se expuso la teoría de

funcionamiento de cada uno de los equipos

usados en este estudio, en esta sección se explican

los conceptos prácticos que deben tenerse en

cuenta para procurar tomar medidas optimas de

succión matricial y succión total.

3.1. Psicrómetro Wescor PST-55-30

A continuación, se expondrá el procedimiento

a seguir para conectar de forma correcta el equipo

y posteriormente tomar las mediciones a lo largo

del ensayo.

1. Deberá conectarse la estación de

medición PSYPRO al computador. La

conexión a la estación se hará por medio

de la entrada circular, la otra parte del

cable se conectará a un convertidor de

RS-232 a USB, este último se conectará

al computador donde se deseen guardar

los datos En la Figura 14 se muestra el

montaje para la estación PSYRPO.

Donde:

a. Conexión de psicrómetros.

b. Salida circular de PSYPRO al

computador.

c. Conexión RS-232 a conversor.

d. Salida USB del convertidor RS-232 a

puerto BUS.

2. Se procede a realizar la instalación del

programa. Posterior a esto se conecta la

salida USB del PSYPRO al computador

(d en Figura 14), cada vez que se inicie el

programa deberán realizarse las

siguientes configuraciones:

a. En la pestaña superior izquierda

“File”, se encuentra un apartado

llamado “PC settings”, en este debe

configurarse el puerto COM que sea

usado cuando el computador detecte

la conexión exitosa con la estación

PSYPRO (Figura 15).

b. Cuando se haya escrito el puerto

COM de la estación, se da clic en

“Ok”, a partir de esto el programa

contactará al PSYPRO para verificar

que se establezca una conexión

exitosa, si efectivamente los cables

están bien conectados y el puerto

escogido es el indicado cargará la

barra de espera y aparecerá de nuevo

la ventana inicial, de lo contrario

aparecerá un aviso indicando un error

en la conexión (Figura 16).

Figura 14. Estación de datos PSYPRO.

Page 14: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

14

Figura 15. Verificación de puerto USB.

c. En la siguiente pestaña “Tools”,

deberá configurarse el reloj de la

estación, el cual se reiniciará cada

vez que se encienda, por lo anterior

es de suma importancia establecer

inicialmente la hora y la fecha en

calendario Juliano. Esta

configuración se realiza en “Set

PSYPRO Time”, luego de

seleccionar esta opción se podrá

sincronizar con la hora establecida en

el computador.

Figura 16. Error de conexión con la estación PSYPRO.

d. Debido al método para guardar datos

que posee la estación PSYPRO, es

recomendable que siempre se realice

una verificación de la memoria y

cada vez que se descarguen datos

estos sean movidos a otra carpeta,

con el objetivo de que no se

sobrescriban los archivos.

3. Cuando se realicen las anteriores

configuraciones iniciales, se procederá a

establecer los parámetros de medición,

estos se muestran en la siguiente figura.

Figura 17. Parámetros iniciales de medición.

Donde:

Cooling Current On Seconds: este

parámetro describe el tiempo durante el

cual se desea que el psicrómetro sea

refrigerado con la corriente de Peltier, el

programa permite configurar un tiempo

de 5 a 60 segundos. De acuerdo con

Brown & Bartos (1982), un tiempo de 30

segundos es correcto para la mayoría de

pruebas, si se desea mantener un corto

tiempo entre mediciones puede ponerse

un tiempo de 15 segundos, tiempos más

largos generalmente no ofrecen mejores

ventajas que un tiempo de 30 segundos.

Por otro lado, para suelos secos es

Page 15: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

15

recomendable utilizar un tiempo de

refrigeramiento más largo, con el

objetivo de procurar que se llegue al

punto de condensación dentro de la

termocupla, de igual forma para suelos

húmedos basta con un tiempo entre 5 a 10

segundos (Wescor, 2004). Se recomienda

realizar ensayos de prueba para

determinar el mejor tiempo de impresión

de la corriente Peltier, en el presente

estudio se utilizaron siempre tiempos de

15 segundos, esto debido a que era

importante registrar datos con poca

dispersión en cuanto a tiempo entre ellos.

Measurement Period Seconds: el

programa permite especificar un tiempo

de medición entre 5 a 250 segundos, los

cuales se llevarán a cabo con intervalos

mínimos de 5 minutos entre ellos. En este

periodo, el sistema registra 50

mediciones, las cuales se tomaran en

intervalos dependientes del tiempo de

medición establecido.

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠: 𝑀𝑒𝑎𝑠𝑢𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑

50

A partir de un ensayo de prueba, se

estableció que 30 segundos era un tiempo

óptimo para tomar las mediciones. Por

otro lado, se recomienda no establecer

tiempos tan largos (cercanos a 250 seg.) a

menos de que se realice el ensayo en un

medio con temperatura totalmente

controlada.

Delay Seconds After Cooling: como se

vio anteriormente en la sección “2.2.

Medición de succión total”, el sistema

requiere de un periodo de retraso luego de

imprimir la corriente Peltier con el ánimo

de estabilizar la temperatura interna, 3 a

4 segundos es suficiente para realizar este

proceso (Wescor, 2004).

Read Average Seconds: durante los

segundos establecidos en este parámetro,

se promedian una serie de mediciones, las

cuales se presentarán en el archivo final

de registro. Para determinar cuántas

mediciones se promedian, se divide el

“Read Average Seconds” entre el

intervalo de tiempo entre medidas. Se

recomienda que no se establezca un

tiempo largo para promediar las

mediciones, a menos de que se tenga un

medio con condiciones controladas,

específicamente la temperatura, lo

anterior debido a que durante este rango

pueden presentarse mediciones erróneas

que corresponden a un cambio súbito en

la temperatura, lo cual daría como

resultado un valor promedio incorrecto.

Correction Factors: en estas casillas se

escriben los factores de corrección

obtenidos a partir del proceso

especificado en la sección “2.2.

Medición de succión total – Calibración

de psicrómetros”, cada casilla hace

referencia al factor de corrección

correspondiente a cada uno de los

psicrómetros en orden numérico.

Log Interval: establece el intervalo entre

procesos de medición. Un proceso de

medición está compuesto por “Cooling

Current On Seconds” y “Measurement

Period Seconds”, durante este último se

realizan los procesos de retraso (Delay

Seconds After Cooling) y promedio de

mediciones (Read Average Seconds).

Cuando finaliza un proceso de medición

se puede establecer que el siguiente

recorrido comience luego de 5 a 32.707

minutos.

Por último, el sistema permite dos formas

distintas de realizar la toma de datos, la

primera consiste en recolectar los

resultados correspondientes al potencial

de agua en MPa para cada intervalo de

tiempo, en este archivo se incluye el

voltaje de la batería (bat V), la cual se

recomienda siempre mantener sobre 11.7

voltios, la temperatura de refrigeración

(Cool mV), la temperatura de la

termocupla (temp C), el offset en µV, el

cual siempre debe ser menos de 3 µV para

obtener mediciones significativas

(Caicedo, 2014) y el voltaje de la

“wetbulb”. Este tipo de registro de

denomina “Log Results Only”. Cuando se

Page 16: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

16

desee conocer el voltaje obtenido a lo

largo de las 50 mediciones se deberá

seleccionar el segundo tipo de registro,

nombrado en el sistema como “Log

Results Plus Entire Psychrometric Curve

(50 pt. array)”. Para la mayoría de los

casos y con el objetivo de ahorrar

memoria, basta con seleccionar la opción

“Log Results Only”, a menos que las

condiciones del ensayo demanden

conocer el comportamiento puntual en

micro voltios a lo largo de cada proceso

de medición.

Cuando se hayan establecido todos los

parámetros anteriormente descritos, se

procede a guardar la configuración.

Teniendo en cuenta si se desea comenzar

a tomar datos inmediatamente (Logging

ON) o después cuando el usuario lo

decida (Logging OFF).

Existen tres destinos posibles para

guardar los datos, pueden almacenarse en

un archivo, configurarlos como los

nuevos parámetros por defecto o

guardarlos en el PSYPRO, teniendo esto

se recomienda siempre guardar los datos

en el PSYPRO, los cuales entonces se

actualizarán en el psicrómetro.

Una vez los parámetros deseados se

encuentren guardados en la estación de

medición, se recomienda verificar que

exista una conexión exitosa entre este

elemento y el computador, para esto se va

a “Tools” > “Contact PSYPRO”. Luego

de corroborar la conexión del sistema

bastaría con seleccionar la opción

“Logging ON” para que el psicrómetro

comience a realizar el proceso de

medición. A partir del presente estudio se

determinó que era indicado comenzar a

tomar mediciones entre 20 a 40 minutos

antes de iniciar el proceso, lo cual

permitía al psicrómetro calibrarse con el

ambiente.

4. Cuando se haya terminado el ensayo, se

da clic en la opción “Logging OFF” y

posteriormente se guardan los datos de

nuevo al PSYPRO, esto finaliza el

procedimiento de registro.

5. Para guardar los resultados, se va a

“Tools” > “Save PSYPRO data”, en esta

ventana (Figura 18) se muestran dos

distintas formas de guardar los datos; la

primera permite descargar la información

registrada desde la última descarga y la

segunda opción permite descargar todos

los datos guardados en la estación

PSYPRO. Como se dijo anteriormente,

debe tenerse cuidado con los archivos ya

guardados en el computador en la carpeta

“PSYPRO data”, debido a que existe la

posibilidad de que los nuevos datos

descargados se sobrescriban con los ya

guardados.

Figura 18. Ventana para descargar los datos.

Limpieza del equipo

Para evitar un posible efecto de corrosión

dentro del elemento, este se deberá limpiar solo

con agua destilada – desionizada. El proceso

correcto de mantenimiento se basa en limpiar de

forma cuidadosa la punta de acero inoxidable con

un rociador convencional de agua, dejando el

psicrómetro de forma vertical con el objetivo de

expulsar los residuos que puede llegar a

almacenar adentro por el proceso de

compactación por efecto de gravedad y con ayuda

Page 17: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

17

de la presión ejercida por el rociador. Los

elementos necesarios para un óptimo

mantenimiento se muestran en la siguiente figura.

Figura 19. Herramientas para la limpieza del psicrómetro.

Donde:

1. Balón volumétrico.

2. Rociador convencional con agua

destilada – desionizada.

3. Recipiente para recoger el agua

contaminada.

4. Toalla limpia sin motas.

5. Papel higiénico.

Luego de mojar con el rociador el instrumento, se

limpia suavemente el mismo con una toalla limpia

que no desprenda motas, posterior a esto se

introduce en un balón volumétrico, en el cual se

sumerge durante un tiempo para que los residuos

internos tiendan a diluirse. Luego de unos

minutos se saca del balón y se envuelve en papel

higiénico, este absorbe el agua destilada –

desionizada a la cual se expuso con anterioridad

el psicrómetro.

3.2. Tensiómetro T5x

El proceso de conexión del T5x es más sencillo

que el del psicrómetro. Para este equipo, se adapta

una conexión para poder registrar los resultados

en el sistema de datos del laboratorio de suelos.

Luego se verifica que las mediciones de succión

se muestren en tiempo real a lo largo de todo el

ensayo.

Para optimizar las mediciones realizadas con el

tensiómetro, se registran a continuación una serie

de recomendaciones en adición a las ya expuestas

a lo largo de este artículo:

Debido a que la fuente de corriente a la

cual se conecta el tensiómetro muchas

veces difiere con el voltaje determinado

por el manual, se debe dejar el

tensiómetro en una posición horizontal

hasta que la medición de presión sea

estable. Esta se anota y se pone en 0 el

sistema, creando así un nuevo punto de

inicio en función del voltaje propuesto

para este tensiómetro.

Nunca se debe dejar secar la punta de

cerámica, esto podría llevar a registrar

presiones que sobrepasen el límite

permitido por el equipo de 300 kPa.

Antes de insertar el tensiómetro en el

suelo, se deberá verificar que no haya

ningún tipo de burbujas dentro del

mismo. Debido a que el asta de acrílico

es transparente, es fácil ver el interior del

instrumento. Como se mencionó

anteriormente, la más pequeña burbuja

de aire dentro del sistema disminuye en

gran medida la calidad de los resultados.

Cuando el tensiómetro se pone sobre el

suelo, se debe crear una pasta de suelo y

agua destilada- desionizada alrededor de

la punta cerámica. Realizando esta

acción, se evidencio que los tiempos de

estabilización de las medidas disminuían

en comparación a la inclusión del equipo

sin propinarle un recubrimiento a la

punta cerámica.

Limpieza del equipo

Debido a las bajas humedades que se

manejaron en el presente estudio y los altos

esfuerzos a los cuales fueron sometidos los

equipos, se presentó cavitación en los

tensiómetros al finalizar cada uno de los ensayos.

Page 18: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

18

Figura 20. Cavitación del T5x (a) elemento correctamente llenado; (b) elemento cavitado.

Como se observa en la Figura 20, en un

tensiómetro lleno se presenta difracción de la luz,

lo cual hace que las líneas en el papel se vean con

una dirección distinta, mientras que en el

elemento cavitado luego de un ensayo no se

logran ver las líneas debido al agua condensada y

el aire que tiene dentro del asta de acrílico.

La limpieza del equipo debe hacerse

humedeciendo todo el instrumento con un paño

húmedo con agua destilada – desionizada

exceptuando la punta de cerámica, la cual debe

limpiarse aplicando agua a presión con el rociador

convencional expuesto en la sección anterior. La

limpieza de los cables también se realiza

utilizando un paño húmedo, teniendo mucho

cuidado con no mojar el sensor de presión

atmosférica blanco ubicado a pocos centímetros

del cuerpo del sensor. Cuando se encuentre limpio

el equipo, se deberá de nuevo tapar la punta

cerámica con el recipiente especial, el cual se

llena con agua pura.

3.3. WP4-T

Extracción de muestras

Con el objetivo de generar una medición más

precisa, se extraen tres muestras de distintas

partes del recipiente tanto antes como después de

realizar el ensayo.

Figura 21. Herramientas para extracción de muestras.

Con ayuda del extractor manual (1), se extraen las

muestras compactadas luego de realizar el ensayo.

para obtener las muestras del suelo pre-

compactado (antes del ensayo) se puede utilizar el

elemento (1) pero debido a lo suelto que el suelo

se pueda encontrar, se hace uso de la espátula

metálica (3) para obtener las muestras, finalmente

se almacenan en los recipientes especiales (2).

En primer lugar y con base en los tiempos de

equilibración de temperatura y toma de medidas,

se recomienda conectar el equipo antes de realizar

los ensayos, encenderlo y dejarlo en reposo

durante cerca de 30 minutos. Cuando se haya

dejado calentar el equipo y se tengan los

recipientes con suelo solo hasta la mitad del

mismo, se dispone a ubicar las muestras sobre la

zona de equilibración y una por una se irá

ingresando el material a la cámara con el espejo

refrigerado.

Figura 22. Componentes WP4-T.

Los recipientes deben ingresarse a la cámara bajo

los dos siguientes requerimientos indispensables:

Page 19: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

19

Sin tapa y con los bordes limpios, de lo

contrario existe la posibilidad de que el

espejo sea contaminado.

Llenos solo hasta la mitad, si esto no se

cumple las mediciones tomadas serán

incorrectas y podría llegar a descalibrarce

el espejo.

Siguiendo lo anterior, se coloca el recipiente en la

cámara, se cierra y se gira la perilla a la opción

“READ”, cuando esto se realice aparecerá la

siguiente pantalla.

Figura 23. Equilibrio de temperaturas.

Donde “Ts” hace referencia a la temperatura de la

muestra y “Tb” corresponde a la temperatura del

equipo. Si esta diferencia se encuentra entre -0.5

a 0 °C, los tiempos para tomar las mediciones

serán más cortos, por lo cual se debe esperar a que

esta condición se cumpla para que el equipo

cambie a la siguiente pantalla, en la cual se

muestran las dos unidades disponibles para la

toma de medidas y la temperatura interna del

sistema (Figura 24).

Figura 24. Toma de medidas de succión total.

Es probable que si la diferencia de temperaturas

sea un valor positivo muy alto, el sistema indique

que la “Muestra está muy caliente”, para

solucionar esto debe dejarse el recipiente dentro

del sistema durante un par de minutos, lo cual

conduciría a un equilibro de temperaturas y en

consecuencia a una diferencia entre ellas aceptada

por el equipo, a partir de esto pueden comenzar a

tomarse las mediciones.

Cuando el sistema llegue a la temperatura de

rocío, tal y como se explicaba en la sección “2.2.

Medición de succión total – WP4-T”, se mostrará

la succión total calculada en la muestra, esto se

sabe cuándo el LED ubicado en la parte frontal

del equipo alumbra de forma intermitente.

Cuando se haya analizado cada extracción, se

debe sacar cada recipiente con cuidado de la

cámara y cerrar la misma para mantenerla libre de

contaminación, posterior a esto se apaga y

desconecta el equipo.

4. RESULTADOS

A continuación, se muestra claramente la

trayectoria de carga y descarga en el espécimen

correspondiente a 10% de humedad. Este

comportamiento se presenta de forma similar en

todos los ensayos llevados a cabo para cada

contenido de humedad. Por otro lado, se muestra

la deformación unitaria axial contra el tiempo

para el ensayo llevado a cabo sobre el mismo

espécimen, en esta se evidencia una deformación

unitaria inicial aproximada de un 20%.

Figura 26. Evolución de la deformación axial para el ensayo a 10% de humedad.

Figura 25. Evolución del esfuerzo axial para el ensayo a 10% de humedad.

Page 20: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

20

Como se pudo entender con lo expuesto

anteriormente, se espera que para muestras con

muy bajo contenido de agua, el mejor instrumento

para realizar las cuantificaciones sean los

medidores de succión total, tales como el

psicrómetro PST-55-30 y el WP4-T.

Lo anterior difiere parcialmente de los resultados

aquí obtenidos, ya que el único instrumento que

logró determinar la succión total en la muestra

más seca fue el WP4-T. Como se ve en la Tabla

4, las succiones obtenidas en la muestra

correspondiente a un porcentaje de 5% de

humedad rondan los -24, esto corresponde a un

error del 100% en relación con los resultados

obtenidos con el psicrómetro, lo anterior se

fundamenta en que esta magnitudes se salen del

rango óptimo de medición de los psicómetros

termocupla, el cual es cercano a los -8 MPa.

Para una humedad cercana al 10%, el rendimiento

del psicrómetro comienza a mejorar. En este caso

se ve que la succión disminuye cuando se

aumenta el esfuerzo y viceversa cuando existen

ciclos de descarga, esto de acuerdo con Tarantino

& De Col (2008) corresponde a una fluctuación

en el grado de saturación, lo cual básicamente

expone que si se aumenta el esfuerzo aplicado, el

agua al ser un fluido incompresible, comenzaría a

distribuirse por todo el suelo que anteriormente

estaba seco, lo cual disminuiría la magnitud de la

succión.

Por el contrario, si se descarga la muestra, el suelo

comienza a separarse de las partículas de agua,

generando un aumento en la aparición de

meniscos y por consiguiente valores más altos de

succión total, tal y como se ve en la Figura 27.

Como se puede analizar en la Tabla 4,

exceptuando por el ensayo realizado en el suelo

con 5% de humedad, el psicrómetro presenta un

gran desempeño en humedades bajas (10% a

15%), determinando así errores no mayores al

27.37%, los cuales corresponden a una dispersión

máxima cercana a 1 MPa con respecto a los

resultados de referencia obtenidos por el WP4-T.

ANTES DESPUES ANTES DESPUES ANTES DESPUES Max Min Max Min

5,00% -24,079 -22,152 0 -0,01 100,00% 99,95% -0,15 0,19 -38,405 -0,005 9754 2,71

10,00% -14,521 -13,719 -12,45 -11,14 14,26% 18,80% -12,88 -11,03 -35,685 -0,02 13020 3,62

15,00% -11,360 -10,181 -8,25 -8,39 27,38% 17,59% -9,07 -8,25 -37,985 -0,005 12966 3,60

20,00% -7,433 -6,490 -6,21 -4,7 16,46% 27,58% -6,33 -4,4 -35,92 -0,955 15295 4,25

25,00% -4,923 -4,168 -3,05 -2,37 38,05% 43,14% -3,09 -2,19 -36,55 -35,1 15500 4,31

Max Total -12,88 Max Total -38,405

Min Total 0,19 Min Total -0,005

Tiempo cavitación

aprox (seg-hrs)

WP4-T (Mpa) PSY (Mpa) % Error Psy (Mpa) T5x (kPa)

Tabla 4. Resultados de los ensayos para cada contenido de humedad.

Figura 27. Comportamiento de la succión total en el último escalón de carga para muestra con w: 10%.

Page 21: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

21

Por otro lado, como se observa en la Figura 28, el

tensiómetro sigue el comportamiento esperado

para humedades más altas, en las cuales el

psicrómetro presenta un comportamiento más

lineal, sin cambios marcados en los ciclos de

carga y descarga. De igual forma, los tiempos

aproximados para los cuales el T5x presenta

cavitación son mayores a medida que aumenta la

cantidad de agua en el suelo.

Figura 28. Comportamiento de la succión matricial en el segundo escalón de carga para una humedad de 20%.

Analizando los resultados obtenidos para

succiones matriciales, se establece que en

promedio el tiempo de respuesta del tensiómetro

corresponde a 3 minutos, este tiempo se define

como el lapso que existe entre un pico o valle en

la gráfica de esfuerzo en relación al pico o valle

presentado en la succión para cada escalón

determinado.

A partir de esto y analizando de nuevo la Tabla 4,

se determina que el rango efectivo de lectura de

succiones totales para el psicrómetro puede llegar

a ser un poco más de -8 MPa, este aumento radica

en la calidad de la calibración, los tiempos

escogidos para realizar la medición y la

preparación adecuada del suelo, tal y como se vio

en las secciones anteriores. Por otro lado, se

observó que la succión matricial máxima medida

con el T5x fue de -38.4 kPa, esto difiere en gran

medida de la medición límite teórica a la que

puede llegar el elemento antes de cavitar, la cual

es de -160 kPa para la edición T5x. Lo anterior

radica en la calidad de la calibración del equipo

cada vez que se ensayaba y en la adecuación del

mismo dentro del suelo.

5. CONCLUSIONES

A partir del presente estudio, se concluye que

el parámetro más importante para llevar a cabo

medidas óptimas de succión total y matricial

radica en la calidad de la calibración de los

equipos y el procedimiento que se sigue para

insertar los mismos en el suelo. Por otra parte, es

importante decir que la variación de los datos

obtenidos por el psicrómetro con respecto a las

medidas registradas con el WP4-T corresponde a

errores provenientes de la alteración constante del

entorno. Como se mencionó con anterioridad, el

buen funcionamiento del psicrómetro termocupla

con efecto Peltier se basa en realizar los ensayos

bajo condiciones de temperatura controladas,

también se recomienda que el psicrómetro sea

insertado a por lo menos 15 centímetros de la

superficie del suelo, en este punto se asegura una

disminución importante en el gradiente de

temperatura presentado a lo largo del ensayo.

Se recomienda que el tensiómetro T5x se use en

suelos con humedades mayores a 25%, esto

debido a que aunque en el presente estudio se

demostró un comportamiento esperado en torno a

las trayectorias de succión en estas muestras, se

evidencia una variación muy pequeña en la

succión, lo cual además de dar cuenta que este

instrumento se debe utilizar para medidas

puntuales, sugiere que su mejor desempeño se

produzca en suelos mucho más húmedos.

Por último, se establece que dependiendo del

protocolo seguido para toma de mediciones con el

psicrómetro, este puede desempeñarse en

humedades no menores al 10%. Un material

preparado con cantidades de agua menores a este

valor produciría resultados de succión muy

grandes, donde el único instrumento útil para la

medición de este parámetro sería el WP4-T.

Page 22: Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y

22

6. REFERENCIAS

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