Ingeniera Civil Mecánica / Los medios granulares son de gran interés en el área de la ingeniería y la industria, siendo el segundo tipo de material más ampliamente trabajado después de los recursos hídricos. Es debido a este interés, sumado al interés científico, que dichos materiales han sido ampliamente estudiados en los últimos 160 años. El estudio de medios granulares comenzó con Hagen a mediados del siglo XIX. Posteriormente, se desarrollaron diversos estudios, tanto numéricos como experimentales, para conocer de mejor manera los fenómenos que ocurren en medios granulares. Estos fenómenos son, entre otros, el flujo convectivo, segregación y formación de atascos de material. Además, se han encontrado trabajos en que se conjugan vibración externa y flujo de salida, obteniéndose relaciones experimentales entre el flujo de salida y ciertas variables de oscilación. Sin embargo, estos estudios consideran una única forma de onda. En este trabajo de título se estudia un sistema que consta de un recipiente de tamaño y geometría invariables, con un orificio de salida en su cara inferior, llenado con un medio granular sometido a un régimen vibracional en dirección vertical. La geometría del recipiente se basa en los silos industriales, existiendo una disminución de sección hacia la parte inferior. Se estudia el comportamiento del medio granular según el régimen de vibraciones empleado, que es variado en su forma de onda, amplitud y frecuencia. Se mide tanto la cantidad de material que sale del recipiente, como los rangos de frecuencias en que ocurre salida de material. El diseño del recipiente es parcialmente realizado en un software CAD, para luego ser fabricado por medio de una impresora 3D. Los materiales granulares utilizados son dos, para efectos de contraste. Los resultados obtenidos comprenden las frecuencias de salida de material, encontradas por medio de barrido; y los tiempos y flujos másicos de vaciado tanto para la porción inferior del recipiente, como para tramos intermedios. Para esta última medición se calcula el flujo másico de salida, dependiente del volumen de cada tramo. Otro fenómeno observado y medido es el flujo convectivo al interior del recipiente, además del comportamiento de una esfera metálica en el material granular. En general, se logra observar los fenómenos conocidos por los antecedentes; obteniéndose relaciones entre los flujos de material y los parámetros de forma de onda, amplitud y frecuencia. Finalmente, se realizan algunas recomendaciones para futuros trabajos.

Ingeniero Civil / El estudio de flujos granulares resulta importante en distintas aplicaciones industriales, como también para lograr una mejor comprensión de fenómenos naturales. Los flujos granulares que ocurren en la naturaleza muchas veces presentan un gran poder destructivo. Por ello, la predicción de la ocurrencia y comportamiento de éstos a escalas geofísicas resulta de gran interés para el ordenamiento territorial y evaluación del riesgo en asentamientos humanos y numerosas faenas industriales. Se realiza un estudio experimental para analizar la importancia de la reología del fluido en el colapso de una columna de material granular no-cohesivo, en un fluido ambiente que es newtoniano o pseudoplástico, generando desplazamientos de material granular en condiciones controladas. Para esto, se trabaja en una instalación de acrílico rectangular de 0.1 m x 1.4 m x 0.3 m (ancho x largo x alto), la cual se rellena con fluidos ambientes a distintas reometrías y con distintos tipos de materiales granulares. Los experimentos consisten en la generación de un flujo de material granular, el cual se encuentra inicialmente sostenido por una compuerta. Al levantar esta compuerta se genera un flujo de material granular y fluido, el cual permite analizar cómo este flujo es influenciado a medida que se cambia la reometría del fluido ambiente en base a cómo se comporta el material granular en términos de desplazamiento y velocidad en el tiempo. El desarrollo del colapso de material granular típicamente presenta un patrón común independiente del material utilizado. Inicialmente presenta un rápido aumento en su velocidad hasta llegar a un punto de velocidad constante, para finalmente desacelerar hasta llegar al reposo. En este trabajo se pude ver que al trabajar en fluidos pseudoplásticos se genera un flujo secundario debido al esfuerzo de corte entre la compuerta y el fluido ambiente, que genera formas finales distintas a las típicamente conocidas para materiales granulares trabajados en aire. Para los resultados de distancia versus tiempo de materiales granulares en los fluidos ambientes newtonianos, se obtienen las curvas con forma de S que han sido registradas ampliamente en la bibliografía. En base a todos los análisis realizados para los distintos fluidos ambientes, y en particular al mirar los resultados obtenidos para la relación entre la distancia final del frente y la razón de aspecto, se puede concluir que los factores más relevantes dentro de los parámetros estudiados en este trabajo corresponden a la viscosidad del fluido ambiente y la uniformidad del material granular a colapsar. / Financiado por Proyecto Fondecyt 1130910

Ingeniero Civil / En el marco de la presente investigación, se estudió la influencia de la densidad relativa en la resistencia al corte para materiales granulares gruesos. La finalidad de este estudio es establecer en primer lugar, una metodología que permita estimar la densidad relativa en materiales granulares gruesos a partir de resultados de ensayos de densidad máxima y mínima de laboratorio convencionales. Para ello se realizó una intensa búsqueda en la literatura técnica, lo cual permitió generar una base de datos sólida, que a su vez, fue utilizada en establecer correlaciones para estimar los índices de vacíos máximos y mínimos utilizando el coeficiente de uniformidad. Estas correlaciones permitieron conseguir el objetivo de construir una metodología que estima la densidad relativa en suelos gruesos. Otro objetivo de este estudio es el de incorporar nuevos datos a los ábacos de resistencia utilizados para materiales granulares gruesos. Para ello se realizó una búsqueda en la literatura técnica de todos los ensayos triaxiales de grandes dimensiones publicados hasta ahora, con lo cual fue posible construir un nuevo ábaco de resistencia. Posteriormente se aplicó la metodología de estimación de la densidad relativa a aquellos datos recopilados para el ábaco de resistencia. Como resultado de aplicar la metodología propuesta, esta se ajustó de muy buena forma, entregando resultados coherentes, y en la mayoría de los casos permitió estimar la densidad relativa a la que fueron ensayadas las muestras en celdas triaxiales de gran escala. Además se logró comprobar las tendencias de comportamientos propuestas por otros autores, por ejemplo que para un mismo nivel de confinamiento el ángulo de fricción que presenta una probeta densa es mayor al que presenta una probeta en estado suelto, o también que para un mismo estado inicial de densidad al aumentar el nivel de confinamiento el ángulo de fricción interna que presenta el material tiende a disminuir. Por último, se establecen rangos de variaciones en el ángulo de fricción interna que podrían presentar los materiales para distintos niveles de confinamiento y diferente en densidad relativa, discriminando en curvas granulométricas uniformes y bien graduadas. Queda en evidencia que los fenómenos de resistencia al corte y densidad relativa dependen de varios factores que no fueron necesariamente considerados en esta investigación y sería interesante estudiar la influencia de estos en el futuro.

Geóloga / El presente estudio busca dar a conocer un campo poco conocido en Chile, la Geología Forense. Para ello se estudió un caso, que de acuerdo al artículo 467 del Código Penal chileno, estaría dentro de la definición de estafa y otros engaños. En el engaño asociado al caso de estudio, cierta mercancía fue trasladada desde Hong-Kong hasta Chile (haciendo escala en Miami) y fue reemplazada en alguna parte de su trayecto por sacos de arena. A través de estudios mineralógicos, granulométricos, geoquímicos, y principalmente, mediante el análisis de micro texturas en granos de cuarzo utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM en sus siglas en inglés) para la generación de las imágenes, se logra identificar el lugar en el que con mayor probabilidad se pudo haber llevado a cabo el intercambio de especies. De esta forma, si bien no que se logra hacer una comparación perfecta entre la muestra asociada a la estafa y la otra muestra de comparación restante, sí se logra acotar el lugar de intercambio a una región. Con el desarrollo de este caso se busca demostrar desde el punto de vista Forense de qué forma los materiales geológicos pueden ser utilizados como evidencia. Además, se desarrolla un completo marco teórico en el que se exponen las metodologías más utilizadas actualmente en el mundo para el análisis forense del material geológico, se exponen casos de estudios publicados y se desarrolla un apartado especial para el análisis de suelos, ya que esta matriz ambiental es un elemento recurrente para analizar en diversos delitos. En este trabajo, además de presentar este nuevo campo, se buscaba también poder generar un vínculo con alguna institución asociada al análisis de muestras Forenses. En este caso, se logró establecer un contacto con el Laboratorio de Criminalística de la Policía de Investigaciones de Chile, en el que se desarrolló una práctica, de aproximadamente tres meses, en la que fue posible realizar el análisis de micro texturas en granos de cuarzo a través de las imágenes generadas en el microscopio electrónico de barrido disponible en el laboratorio y un análisis espectroscópico vibracional (RAMAN) de algunos granos. Se pudo también presentar este tema a los integrantes del laboratorio, explicando cuál podría ser el aporte de un Geólogo en el análisis de muestras Forenses.

Ingeniero Civil / El objetivo de esta investigación es presentar resultados experimentales que permitan definir la condición límite para el arrastre de material granular no cohesivo debido a los efectos de un flujo oscilatorio con superficie libre de un fluido tipo Ostwald-de Waele. Los experimentos se llevaron a cabo en un canal de oleaje, que recrea una corriente de olas uniformes de hasta 2 s de período. Como material granular se utilizaron cuatro granulometrías uniformes de arena de cuarzo y los fluidos usados corresponden a agua y soluciones acuosas de carboximetilcelulosa (CMC). Las soluciones de CMC presentan un comportamiento pseudoplástico para la reología, que se modela por medio de una ley de potencia. Para determinar las características del flujo en las cercanías del lecho, se implementó el método de velocimetría por procesamiento de imágenes PIV y para describir las características de las olas se realizó un procesamiento de imágenes obtenidas a partir de la grabación de videos. Los principales resultados presentados en la memoria son: (1) la determinación de una curva que define el arrastre incipiente en flujos oscilatorios en función del número de Reynolds de la partícula Rep, el número de Keulegan-Carpenter KC y el número de Froude densimétrico Frd2. Estas se formulan considerando que Rep >>1 y Rep<<1, supuestos que permiten abordar analíticamente el problema. (2) La comparación entre los valores medidos de la velocidad en el fondo mediante PIV y los predichos por la teoría lineal del oleaje para soluciones con CMC. La teoría lineal del oleaje, que permite determinar el campo de velocidades del flujo, trabaja bajo el supuesto de flujo irrotacional y fluidos de baja viscosidad, que es contrario a lo que ocurre con los fluidos pseudoplásticos. Luego, mediante la implementación de PIV es posible ver el grado de ajuste de la teoría con respecto a los valores observados in situ. (3) La comparación de los resultados experimentales frente a los criterios de Komar & Miller (1973) y \cite{goddet1960} para el arrastre incipiente en flujos oscilatorios. Cuando los resultados se comparan con la relación de Komar & Miller (1973), se observó que la curva propuesta por ambos autores sobrestima la condición límite y no predicen adecuadamente la tendencia de los resultados hallados. Cuando los resultados se evalúan por medio del criterio de Goddet (1960), se observó que los resultados se comportan de acuerdo a lo predicho por este autor, sin embargo, estos se segregan según la reología del fluido. (4) La presentación de dos relaciones experimentales para definir la condición de arrastre incipiente. La primera se obtiene a partir de un ajuste de los datos obtenidos y se presenta en función de los adimensionales Frd2 y KC. La segunda se formula a partir de los adimensionales Psi y Xn, donde Psi es el parámetro definido por Goddet (1960), que representa la proporción entre las fuerzas culómbicas y la fuerza de arrastre del flujo y Xn es un adimensional que incorpora la reología del fluido. / Este trabajo ha sido financiado por FONDECYT a través del proyecto de investigación N° 1161751

El objetivo principal del tema de memoria es realizar un análisis comparativo, entre las metodologías chilenas y algunas extranjeras relacionadas a la especificación de granulometrías para mezclas asfálticas en caliente, con la intención de conocer los márgenes admisibles que podrían considerarse en la normativa tradicional, de modo que las gradaciones de áridos que se adopten, generen mezclas asfálticas que compatibilicen los aspectos constructivos, económicos y de desempeño en servicio del pavimento. El sistema tradicional de bandas granulométricas expuesto en el Volumen 5 del Manual de Carreteras, presenta diferencias con respecto a algunas metodologías no tradicionales (SUPERPAVE, RAMCODES, método Bailey y normativa mexicana SCT) que actualmente se consideran como especificaciones validas para definir la granulometría de la mezcla. Para abordar este estudio comparativo se contempla la búsqueda de relaciones entre el grado de empaquetamiento de las mezclas y las granulometrías definidas según los distintos métodos, para distintos niveles de compactación. En esta etapa se llevó a cabo un programa experimental basado en la medición de probetas cilíndricas de mezclas asfálticas en caliente que difieren solamente en la banda granulométrica de áridos en estudio. Entre los resultados se verifico que la granulometría de máxima densidad produce insuficientes vacíos en la mezcla asfáltica, así como que los puntos de control que impone SUPERPAVE, permiten una gama muy amplia de gradaciones que generan mezclas que no cumplen con los requisitos mínimos de estabilidad y vaciós. Además se encontró que la densificación por efecto de la compactación depende significativamente de la estructura granulométrica de la mezcla. Se concluye que incorporar las restricciones de evitar la línea de máxima densidad y el cumplimiento de los requerimientos de los parámetros del método Bailey, a las bandas granulométricas tradicionales, permite obtener gradaciones de áridos que generan mejores propiedades. También se obtuvieron relaciones directas entre la compactación, la granulometría y las propiedades básicas de las mezclas asfálticas contempladas en este estudio, por lo que se recomienda comparar empíricamente la compactación Marshall, con la provocada por el mezclador giratorio de SUPERPAVE, el cual simula mejor las condiciones reales de compactación con rodillo.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / El estudio de la reología de medios granulares densos tuvo un fuerte impulso a raíz de la aparición del modelo reológico propuesto en GDR MiDi, 2004, el cual estableció una relación local entre el esfuerzo de corte normalizado por la presión y el número de inercia. Esta relación se cumple satisfactoriamente para distintos escurrimientos, cuando se presentan bajos gradientes de la velocidad de deformación. Por otro lado, este modelo resulta insatisfactorio para problemas con altos gradientes de la velocidad de deformación. Para estos últimos casos se han propuestos diversos modelos denominados no locales. El objetivo de la presente tesis es evaluar el desempeño de modelos reológicos, tanto locales como no locales, para sistemas distintos a los que dieron su origen, utilizando la modelación continua y discreta del medio granular, de la forma en que se explica a continuación: Problemas resueltos mediante modelación continua: El modelo local ya mencionado fue evaluado para dos sistemas estacionarios, estos son: (1) escurrimiento en celda Couette modificada y (2) flujo gravitacional en celda tipo block caving. La metodología en estos casos consistió en resolver numéricamente un modelo continuo, compuesto fundamentalmente por la ecuación de conservación de momentum del medio granular y la reología local incorporada a esta ecuación. Finalmente, se compararon los resultados de los modelos con datos obtenidos a partir de simulaciones discretas y experimentos. Problema resuelto mediante modelo discreto: En este caso el problema a resolver fue un sistema en estado transiente, compuesto por un medio granular bajo cizalle simple. De forma instantánea el medio granular es sometido a un cambio en el sentido de cizalle, generándose un periodo de relajación del sistema hasta volver al estado original. Para la simulación de este caso se utilizó un modelo de dinámica molecular, en el cual fueron creadas distintas configuraciones variando la altura del sistema y la densidad global del medio granular. Referente a los resultados obtenidos para el modelo de la celda Couette modificada, se logró predecir el campo de velocidades de rotación en los casos clasificados dentro del régimen demominado abierto, por el contrario, se encontraron importantes discrepancias en los regímenes de transición y cerrado. En cuanto al modelo para el problema de block caving, este arrojó una zona de extracción aislada de tamaño similar a la encontrada experimentalmente, además este modelo logró predecir el ángulo de falla a la salida del sistema. Con respecto al problema abordado con enfoque discreto, el principal resultado encontrado es que el medio granular relaja en dos fases asociadas a dos tipos de reologías. En una primera fase, el esfuerzo de corte normalizado en el centro del sistema se mueve siguiendo una nueva relación no local. En esta relación aparece el laplaciano del esfuerzo de corte normalizado, como una nueva variable. En una segunda fase, el esfuerzo de corte normalizado satisface la relación local dependiente del número de inercia antes señalada.

Ingeniera Civil / En la actualidad CODELCO está desarrollando el Proyecto Mina Chuquicamata Subterránea (PMCHS) que pretende transformar la mina a tajo abierto en una operación subterránea mediante el proceso de Block Caving. Para la optimización de este proceso es trascendental conocer el comportamiento de los materiales quebrados y sus mezclas, en cuanto a sus características geotécnicas, producidos en la etapa de socavación del macizo rocoso. Se seleccionaron dos materiales procedentes del proyecto: Pórfido Este Serecítico (PES) y Pórfido Este Potásico (PEK). Se realizó una caracterización geotécnica y se definieron dos sets de ensayos en compresión triaxial drenado (CID) en probetas de 5x10 [cm] para diferentes mezclas entre ambos materiales, a presiones de 1, 3, 6 y 20 [kg/cm2]. Finalmente se realizaron granulometrías post-ensayo Se obtiene que con el aumento del confinamiento, el ángulo de fricción secante disminuye y la rotura de partículas aumenta. Se destaca la gran y drástica disminución del ángulo de fricción a altas presiones al comparar con resultados de otros autores. Esto se explica por la rotura de partículas que depende del confinamiento, la naturaleza de las partículas y, en menor medida, de la resistencia de las mismas. Por otra parte, la naturaleza no transportada hace que los materiales hereden los defectos de la roca madre, lo que implica que no haya una tendencia clara en el comportamiento al aumentar el tipo de material fuerte o débil.

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Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / El estudio de flujos granulares resulta importante en distintas aplicaciones industriales, como también para lograr una mejor comprensión de fenómenos naturales. Los flujos granulares que ocurren en la naturaleza muchas veces presentan un gran poder destructivo. Por ello, la predicción de la ocurrencia y comportamiento de éstos a escalas geofísicas resulta de gran interés para el ordenamiento territorial y evaluación del riesgo en asentamientos humanos y numerosas faenas industriales. Ejemplos de flujos granulares a escalas geofísicas son: flujos detríticos (aluviones), flujos piroclásticos, avalanchas de nieve y avalanchas de roca. Esta tesis está estructurada en base a una serie de artículos de investigación originales autocontenidos en la que se aborda el estudio de la dinámica interna de flujos granulares densos. En el presente trabajo se presenta una serie de resultados experimentales sobre flujos granulares compuestos por mezclas aire-partículas, con diferentes grados de fluidización inicial, inducidos sobre un canal rectangular (experimentos tipo rompimiento de presa ). También se presentan resultados experimentales y numéricos respecto del proceso de defluidización de mezclas aire-partículas en columnas estáticas. Los resultados obtenidos aportan nuevos conocimientos respecto de la física de los flujos granulares densos. Diversos estudios coinciden en que el fluido intersticial, incluso cuando es aire, resulta de gran importancia en la dinámica de los flujos granulares. Las partículas utilizadas en el estudio experimental pertenecen al grupo A según la clasificación del Geldart. Ensayos experimentales han mostrado que mezclas de partículas obtenidas en depósitos de flujos piroclásticos ricos en cenizas presentan un comportamiento del tipo A cuando son sometidas a fluidización por gas. Por ello, los resultados obtenidos en este trabajo tienen especial relevancia para entender la mecánica de flujos piroclásticos densos ricos en cenizas. Además, comportamientos similares a los esperados en mezclas aire-partículas del tipo A han sido observados en mezclas detríticas (agua-partículas) durante procesos de defluidización producto de la autoconsolidación de las mezclas debido a su propio peso. Para llevar acabo esta tesis, en primer lugar se realizaron experimentos tipo rompimiento de presa de mezclas granulares fluidizadas en distintas proporciones. Los resultados obtenidos fueron comparados con flujos derivados de mezclas no fluidizadas y flujos de agua pura, todos ensayados en la misma instalación experimental. La evolución espaciotemporal de la presión de poros en el fondo de los flujos granulares generados y a lo largo del canal experimental fue estudiada mediante un segundo conjunto de experimentos. Técnicas de análisis de imágenes de video permitieron correlacionar la estructura observada del flujo con las señales de presión obtenidas. En particular, con imágenes de video obtenidas a lo largo del canal se estudió los patrones de depositación del flujo. Nuevos experimentos, consistentes en medir la evolución de la presión de poros en mezclas estáticas (columnas) previamente fluidizadas, permitieron estudiar los mecanismos que controlan la difusión de la presión de poros en éstas. Este estudio fue complementado con un modelo numérico capaz de representar de buena forma los resultados experimentales obtenidos. A pesar de que en flujos granulares la difusión de la presión de poros puede ser controlada por otros procesos más complejos que aquellos presentes en el caso estático, este simple experimento aporta nuevas ideas respecto al proceso de difusión de la presión de poros en mezclas inicialmente fluidizadas. Finalmente, se estudió experimentalmente el alcance de los flujos granulares, para todo el rango de fluidización (desde nula a completamente fluidizado) en canales con distintas pendientes. En resumen, nuestros resultados enfatizan la capacidad de la presión de poros en aumentar la movilidad de mezclas fluido-partículas. El incremento en las escalas de tiempo de difusión de la presión de poros debido a la consolidación de mezclas fluidizadas y expandidas causan un notable incremento en el alcance de los flujos, cuando se comparan con mezclas no fluidizadas y no expandidas.