OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS

OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS

CAMILO QUIÑONES ROZO CODIGO: 200013293

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL

ASESORADO POR: PROFESOR ARCESIO LIZCANO PELÁEZ PhD

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

FACULTAD DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

BOGOTÁ D.C., JUNIO 4 DE 2004

A mis padres y hermana quienes se constituyen en el significado y fin mismo de mi existencia.

“The meaning of life is life itself. However, there is no short cut to realizing this fact, and if you have inherited some of my disposition, you will have a long road to travel. But don’t worry. Sooner or later you will see the light -your light- and from then on sailing will be smoother “. Karl Terzaghi

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN …………………………………………………….. 1 CAPITULO 1. DESCRIPCIÓN DEL SUELO ……………………… 3 1.1. GENERALIDADES ……………………………………………… 3 1.2. ARCILLA CITEC ……………………………………………… 4 1.2.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS ……………………………… 4 1.2.2. ESTRATIGRAFÍA ……………………………………………… 7 1.3. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA Y NEGRA ……………… 8 1.3.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS ……………………………… 8 1.3.2. ESTRATIGRAFÍA ……………………………………………… 9 1.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS ……………… 9 1.4.1. GRANULOMETRÍA ……………………………………………… 9 1.4.2. LIMITES DE ATTERBERG ……………………………… 11 1.4.5 RESUMEN ……………………………………………………... 11 CAPITULO 2. FORMACIÓN / ESTRUCTURA DE SUELOS ARCILLOSOS ……………………………………………………... 12 2.1 ORIGEN Y COMPOSICIÓN QUÍMICA ……………………… 12 2.1.1 SUSTITUCIÓN ISOMORFA ……………………………… 15 2.2 TAMAÑO, ESTRUCTURA Y EFECTO DEL AGUA ……… 15 2.2.1 SUPERFICIE ESPECÍFICA ……………………………… 16 2.2.2 ASOCIACIÓN ENTRE AGUA Y PARTÍCULAS ARCILLOSAS ……………………………………………………... 17 2.2.3 FUERZAS DE CARÁCTER ELECTRICO ENTRE PARTÍCULAS ……………………………………………………... 18

2.2.4 INTERACCIÓN ENTRE PARTÍCULAS DE ARCILLA ……… 19 2.2.5 ARREGLOS DE PARTÍCULAS ARCILLOSAS ……………… 21 2.3 COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA ARCILLOSA BAJO CARGA ……………………………………………………... 22 2.3.1 CONTACTO ENTRE PARTÍCULAS ……………………… 22 2.3.2 CAMBIO DE ESTRUCTURA BAJO CARGAS ……………… 23 2.4 SENSITIVIDAD Y EFECTO DEL TIEMPO SOBRE LAS ARCILLAS ……………………………………………………............. 24 CAPITULO 3. TEORIA Y ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO …………………………………………………….. 25 3.1. TEORÍA DE LA CONSOLIDACIÓN EN UNA DIMENSIÓN DE TERZAGHI ……………………………………………………… 25 3.2. PLANTEAMIENTO DE LA HIPOTESIS A E HIPOTESIS B ……………………………………………………… 30 3.3. CONCEPTO DE ISOTACAS DE ŠUKLJE ……………… 32 3.4. EFECTO DEL ENVEJECIMIENTO (CREEP) DE BJERRUM ……………………………………………………………... 34 3.5. HECHOS RECIENTES ……………………………………… 36 CAPITULO 4. ENSAYOS DE LABORATORIO ……………… 44 41. PROCEDIMIENTO Y EQUIPOS UTILIZADOS ……………… 44 4.1.1. ENSAYOS MSLp ……………………………………………… 44 4.1.2. ENSAYOS MSLcr ……………………………………………… 46 4.1.3. ENSAYOS CRS ……………………………………………… 48 4.2. RESULTADOS ……………………………………………… 52 4.2.1. ENSAYOS MSLp ……………………………………………… 52

4.2.1.1. ARCILLA CITEC ……………………………………………… 52 4.2.1.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA ………………………. 53

4.2.1.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA ……………………………… 54 4.2.1.3. RESUMEN MSLp ……………………………………………… 55 4.2.2. ENSAYOS MSLcr ……………………………………………… 56 4.2.2.1. ARCILLA CITEC ……………………………………………… 56 4.2.2.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA ………………………. 57 4.2.2.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA ……………………………… 58 4.2.2.4. RESUMEN DE ENSAYOS MSLcr ………………………. 59 4.2.3. ENSAYOS CRS ……………………………………………… 60 4.2.3.1. ARCILLA CITEC ……………………………………………… 60 4.2.3.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA ………………………. 61 4.2.3.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA ……………………………… 62 4.2.3.4. RESUMEN DE ENSAYOS CRS ………………………. 63 CAPITULO 5. ANALISIS DE RESULTADOS: INCIDENCIA DEL CREEP Y DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN EN EL OCR DE LAS ARCILLAS ……………………………………………… 64 5.1. ANALISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS MSLp .… 64 5.2. ANALISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS MSLcr .… 65 5.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS CRS .… 67 5.4. COMPORTAMIENTO DEPENDIENTE DE έ EN ENSAYOS CRS …………………………………………………………………….. 68 5.5. INFLUENCIA DE έ EN EL OCR ……………………………… 70 5.6. CONCORDANCIA ENTRE EL PARAMETRO Θ E Ivα ……… 73 5.7. INFLUENCIA DEL CREEP EN EL OCR ………………………. 75 5.8. CONCEPTO DE SUELOS SUBCONSOLIDADOS Y SOBRECONSOLIDADOS A LA LUZ DE LA DEFINICIÓN OCR

0ε& ……………………………………………………………… 80

CONCLUSIONES ……………………………………………………… 85 i) ENSAYOS MSLp ……………………………………………… 85 ii) ENSAYOS MSLcr ……………………………………………… 85 iii) ENSAYOS CRS ……………………………………………… 85 iv) DEFINICIÓN DE OCR

0ε& ……………………………………… 86

v) INFLUENCIA DE έ EN EL OCR

0ε& ……………………………… 86

vi) INFLUENCIA DEL CREEP EN EL OCR0ε& ……………………… 86

AGRADECIMIENTOS ……………………………………………… 88

OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo

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INTRODUCCIÓN

El comportamiento mecánico de los suelos arcillosos se encuentra sujeto a particulares condicionamientos e influencias, convirtiendo su modelación en una laboriosa tarea que conlleva la necesidad de interpretar y concebir su proceder desde un enfoque que involucre conjuntamente el extensivo conocimiento teórico y la aplicación adecuada del criterio obtenido tras una amplia experiencia. Durante buena parte de la historia de la ingeniería mundial, el comportamiento de las cimentaciones sobre dicho tipo de suelos, fue objeto de una aproximación meramente empírica basada en nociones vagas, que no coincidían plenamente con aquellas planteadas desde un enfoque físicamente basado del problema, llevando finalmente a que la practica de la geotecnia fuera en muchos casos considerada etérea y charlatana. Tal es el caso que para 1925 cuando Karl Terzaghi plantea la teoría de la consolidación, le tomaría cerca de 15 años a la comunidad científica hacer caso omiso de tales prejuicios y reconocer su trabajo como un inmenso logro1, que con el paso del tiempo se divulgo sirviendo de detonante en la evolución de la mecánica de suelos hasta traerla a su estado actual. El presente proyecto de grado pretende colaborar con dicha evolución, mediante la demostración de la existencia de una dependencia en el comportamiento mecánico de los suelos arcillosos con respecto a la velocidad de deformación, particularmente cuando acontece un cambio escalonado en la misma variable o ocurren fases de creep. Para alcanzar dicho propósito, se analizaran muestras de tres tipos de arcilla (CITEC, Fontibón amarilla y Fontibón negra) cuyas historias geológicas, propiedades geotécnicas y métodos de extracción se presentan en el Capitulo 1. El análisis de la dependencia propuesta se inicia como tal en el Capitulo 2, con un recuento de las principales características de la particular estructura exhibida por las arcillas, con el fin de proporcionar una explicación al comportamiento observado en laboratorio desde una perspectiva a escala microscópica. A continuación en el Capitulo 3, se hace un recuento cronológico de las teorías propuestas para modelar el fenómeno de la consolidación incluyendo la de Karl Terzaghi, permitiendo observar de cerca la evolución y controversia presentada entre las mismas hasta alcanzar el estado del conocimiento en la fecha actual. 1 Casagrande, A; Karl Terzaghi 1893 -1963; Geotechnique; Géotechnique; Vol. 14; No. 1; 1964; pp 1-12.


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Posteriormente en el Capitulo 4, se procede a explicar los procedimientos observados para cada uno de los tres tipos de ensayos oedométricos realizados (MSLp, MSLcr y CRS) para observar esa dependencia en el comportamiento de las arcillas, seguido por una presentación sucinta de los valores alcanzados mediante estos para las diferentes variables. Por ultimo en el Capitulo 5, se realizan los análisis de resultados arrojados por los diferentes ensayos oedométricos, mediante una nueva definición propuesta para el OCR denominada OCR

0ε& , haciendo especial énfasis en los efectos que los cambio sucesivos en la tasa de deformación y las fases de creep ejercen sobre el suelo.


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CAPITULO 1 DESCRIPCIÓN DEL SUELO

1.1. GENERALIDADES Para efecto de este trabajo se utilizaron tres tipos de arcilla: Arcilla CITEC, arcilla Fontibón amarilla y arcilla Fontibón negra. Los sitios de extracción de las muestras (CITEC y Fontibón) se encuentran situados en el sur oriente de Bogotá D.C a una distancia del orden de 8km entre sí, como se aprecia en la Figura 1.1. En general la evolución geológica del área de localización de las arcillas utilizadas, corresponde a “un sinclinal del terciario tardío (…) relleno por depósitos de origen lacustre de la era cuaternaria”2, que subsiguientemente en el cretáceo “se cubrió por un océano somero”3, tras lo cual la zona “se deprimió y fue cubierta por más de 16.800 m. de depósitos marinos”4. Dicha descripción se ve profundizada por lo definido en el documento de microzonificación sísmica para Bogotá D.C., en donde los sitios de extracción de las muestras CITEC y Fontibón son clasificados como zona 3 y zona 4 respectivamente.

Figura 1.1. Mapa de Microzonificación Sísmica de Bogotá D.C. (señalización añadida por el autor)5

2 Cámara de Comercio de Bogotá, Sede Salitre [en línea]; consultado 24 de Febrero de 2004; http://www.ccb.org.co/sedesalitre/diseno/estudiostecnicos/est_suelos.html. 3 Cámara de Comercio de Bogotá, Sede Salitre [en línea]; Ibíd.; 2004. 4 Cámara de Comercio de Bogotá, Sede Salitre [en línea]; Ibíd.; 2004. 5 Ingeominas, Mapas Virtuales, Microzonificación Sísmica Bogotá D.C. [en línea]; consultado 24 de Febrero de 2004; http://www.ingeominas.gov.co/web/mapas/microzon/index.html.

CITEC

Fontibón


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Dicho documento especifica de la siguiente manera, los suelos preponderantes en cada una de las zonas anteriormente citadas:

- Zona 3 Lacustre A: Está conformada principalmente por depósitos de arcillas blandas con profundidades mayores de cincuenta (50) metros. Pueden aparecer depósitos ocasionales de turbas y/o arenas de espesor intermedio a bajo. Presenta una capa superficial preconsolidada de espesor variable no mayor de diez (10) metros6.

- Zona 4 Lacustre B: Posee las mismas características de la Zona 3.

Lacustre A, pero los depósitos superficiales (Ios primeros 30 a 50 metros) son consistentemente más blandos que los anteriores. Además, corresponde a la zona en que la profundidad hasta la roca base es del orden de 200 m hasta 400 m o más7.

1.2. ARCILLA CITEC Las muestras de arcilla CITEC fueron extraídas en el lote donde están ubicadas las instalaciones del Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad de los Andes (CITEC), por medio de tubos Shelby, alcanzando una profundidad de 10 m. La profundización de las particularidades encontradas a partir de las muestras de suelo, se detallarán más adelante en el presente capítulo. 1.2.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS Para la extracción de muestras se utilizó un camión equipado con mecanismo barrenador hidráulico usado comúnmente para la elaboración del ensayo del cono de penetración estándar (CPT), mostrado en la Figura 1.2. Para efectos de la recolección de muestras, se usó una barrena de 4‘’ de ancho (10.16 cm.) para realizar la perforación inicial y la limpieza después de la extracción con Shelbys (ver Figura 1.3).

Figura 1.2. Máquina barrenadora usada para la perforación.

6 Alcaldía Mayor de Bogotá D.C.; DECRETO 074 de 2001; 2001; pp 2. 7 Alcaldía Mayor de Bogotá D.C.; Ibíd; 2001; pp 2.


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Figura 1.3. Barrena utilizada para aproximar y limpiar. La perforación fue secuencial o tubo a tubo como se le conoce en los procedimientos de obra. Inicialmente se perforó hasta una profundidad de un metro sin recolectar material, correspondiendo dicha distancia aproximadamente al espesor de la capa vegetal y orgánica. A partir de dicha profundidad se realizó la primera toma de muestras en tubo Shelby, tras lo cual se sacó la tubería para cambiar por el barrenador, se perforó nuevamente hasta la profundidad previamente alcanzada por la extracción del Shelby (limpieza), para proceder nuevamente a tomar muestras y así sucesivamente hasta alcanzar una profundidad de 10 m. A esta profundidad se localizó un lente de arena que dificultó continuar la perforación, habiendo decidido detenerla para mantener la integridad de los implementos de perforación utilizados. Los tubos de extracción Shelby utilizados fueron engrasados previamente para limitar la fricción en las paredes del mismo con el suelo aledaño, procurando disminuir la resistencia a la perforación. Dichos implementos corresponden al tipo de pared delgada cerrado con un diámetro externo de 2 ¾ in (7 cm.) y diámetro interno de 2 9/16 in (6.51cm), con una pequeña convergencia en la punta para facilitar el hincado de la misma y reducir el diámetro de la muestra permitiendo a su vez la reducción de la fricción al interior del tubo, como se detalla en las Figuras 1.4 y 1.5.

Figura 1.4. Esquema general para tubo Shelby de pared delgada8. 8 Bowles, J; Foundation Analysis and Design; 5ta Ed; Mc. Graw Hill; 1996; pg 149.


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Figura 1.5. Tubo Shelby recién extraído. A medida que eran extraídos los tubos Shelby, se procedía a rotularlos y taparlos con bolsas plásticas en los extremos, para posteriormente llevarlos al laboratorio en donde sacadas las muestras por medio de un pistón neumático (Figura 1.6), envueltas en papel aluminio (Figura 1.7) y finalmente enparafinados (Figura 1.8). Por último las muestras fueron llevadas al cuarto de humedad y temperatura controlada con el que cuenta el CITEC.

Figura 1.6. Extracción de muestras con la ayuda de un pistón neumático.

Figura 1.7. Disposición de la muestra en el papel aluminio.


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Figura 1.8. Proceso de enparafinado. 1.2.2. ESTRATIGRAFÍA El perfil estratigráfico local está compuesto por una sucesión de limos y arcillas, con un lente de arena ubicado a la máxima profundidad de perforación (10 m). En la superficie, el depósito se encuentra cubierto por una capa vegetal de aproximadamente 30 cm. y dos capas disímiles de limos orgánicos que se prolongan hasta los dos metros. A continuación se resume la estratigrafía en la siguiente Tabla.

Tabla 1.1. Estratigrafía local en la zona de perforación arcilla CITEC.

∇ N.F. 5.3m


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Tras un proceso de preselección llevado a cabo mediante caracterización con límites de Atterberg y granulometrías (hidrometro), se decidió utilizar únicamente para el resto de los ensayos oedométricos realizados en este trabajo la arcilla proveniente del estrato V (2.8 - 4.7 m), dado su mayor contenido de partículas inferior a 2 µm y su alto Índice plástico en comparación con el resto de los estratos. De aquí en adelante a esta arcilla en particular se le continuará denominando arcilla CITEC. 1.3. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA Y NEGRA Las muestras de arcilla Fontibón amarilla y negra fueron extraídas de las excavaciones a trinchera abierta (Figura 1.9) realizadas para la actualización de las redes de acueducto de la localidad de Fóntibón en Bogotá D.C., a una profundidad de 3 y 5 m respectivamente. La profundización de las particularidades encontradas a partir de las muestras de suelo, se detallarán más adelante en el presente capítulo. 1.3.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS Para la extracción de muestras se aprovechó la existencia de la excavación a trinchera abierta previamente descrita (Figuras 1.9 y 1.10), tomando muestras en bloque provenientes de la pared de la misma.

Figura 1.9. Pared de la excavación a trinchera abierta de donde se

extrajeron las muestras de arcilla Fontibón.

Figura 1.10. Detalle de las arcillas antes de ser extraídas: a) amarilla y b) negra.

a) b)


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Las muestras fueron inicialmente separadas de la pared mediante el uso de una pala y posteriormente depositadas en bolsas plásticas. Una vez transportadas al laboratorio estas fueron talladas teniendo en cuenta desechar todo el material heterogéneo y alterado. El resto del procedimiento de protección, emparafinado y almacenamiento fue idéntico al descrito previamente para la arcilla CITEC. 1.3.2. ESTRATIGRAFÍA Dado que la extracción se dio en una excavación previamente realizada, no fue posible obtener un perfil estratigráfico detallado, sin embargo se pudo apreciar una conformación básica de dos estratos de suelo: estrato arcilloso superior de color amarillo algo plástico con presencia de materia orgánica (0 - 3.8 m) y uno arcilloso inferior de color negro algo rígido con presencia de materia orgánica (3.8 - 5 m). La altura del nivel freático no fue determinada toda vez que la trinchera había sido drenada mediante moto bombas previamente a la extracción de las muestras, aunque en la visita fue posible observar algunos remanentes de agua cerca del fondo de esta (aproximadamente 6m). 1.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS 1.4.1. GRANULOMETRÍA Para efectos de la granulometría, teniendo en cuenta que en su gran mayoría los suelos extraídos correspondían a suelos de grano fino, se realizó un lavado de finos a través de un tamiz #200 (0.074mm de apertura) - una vez se secó el suelo al horno -, para conocer el porcentaje más fino que dicho tamiz con el fin de utilizarlo en la clasificación USCS. Adicionalmente, dado el enfoque de este trabajo y su estrecha relación con las partículas de tamaño coloidal, se combino el anterior método con el de granulometría por hidrómetro (Figura 1.11). Para la realización de dicho trabajo, se utilizo un hidrómetro de referencia 152 H ASTM, que mide en unidades de gramo de suelo en suspensión por litro de agua; como agente desfloculador se utilizó hexametafosfato de sodio.

Figura 1.11. Ensayo de granulometría por el método del hidrómetro.


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Los resultados del ensayo se presentan a continuación sintetizados en las Figuras 1.12, 1.13 y 1.14.

Figura 1.12. Resultados de granulometría para Arcilla CITEC.

Figura 1.13. Resultados de granulometría para Arcilla Fontibón Amarilla.

Figura 1.14. Resultados de granulometría para Arcilla Fontibón Negra.


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1.4.2. LIMITES DE ATTERBERG Se realizaron límites de Atterberg a las muestras siguiendo el procedimiento tradicional de rayado y secado al horno de la muestra, para posteriormente trabajar con el material que paso el tamiz # 40. A continuación se muestra la carta de plasticidad, con los respectivos puntos para cada uno de los tipos de arcilla (Figura 1.15).

Figura 1.15. Clasificación de los diferentes tipos de arcilla según la carta

de plasticidad de A. Casagrande. 1.4.5 RESUMEN Para facilitar la caracterización del material, teniendo a mano todas las variables ensayadas en función del tipo de arcilla, se presenta en la Tabla 1.2 la totalidad de parámetros antes descritos, aunados a otros calculados que facilitan la caracterización del material por parte del lector, tales como saturación, relaciones de vacío, densidad total, índice de consistencia y actividad.

Tabla 1.2. Resumen de características para cada una de las arcillas analizadas.


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CAPITULO 2 FORMACIÓN / ESTRUCTURA DE SUELOS ARCILLOSOS

El comportamiento singular de los suelos arcillosos se deriva de su formación y de su particular estructura. A continuación se explican ciertos factores que inciden directamente en su proceder, particularmente en el fenómeno de comportamiento mecánico viscoso cuyo estudio será el objeto de éste proyecto de grado. 2.1 ORIGEN Y COMPOSICIÓN QUÍMICA Las arcillas provienen de la meteorización química de silicatos gracias a la combinación de elementos en disolución o descomposición química de los materiales, de donde se origina su composición de silicatos hidratados de aluminio (Al2O3·n(SiO2)·k(H2O), donde n y k son números enteros de moléculas)9. Dicha composición química ostenta una combinación de dos estructuras:

i) Láminas de tetraedros compuestos cada uno por cuatro átomos de oxígeno en las esquinas y un átomo de silicio en el centro (silica), unidos sucesivamente por las esquinas a través de sus átomos compartidos de oxígeno, como se aprecia en la Figura 2.1. Dicha lamina recibe comúnmente la representación esquemática de paralelogramo propuesta por el Profesor Lambe10, de acuerdo a la Figura 2.2.

Figura 2.1. Lámina compuesta por tetraedros de silica11.

Figura 2.2. Representación esquemática para lámina de silica12.

9 Bowles, J; Op. cit.; 1996; pg 36. 10 Lambe, T; The Structure of Inorganic Soil; Proceedings; ASCE; Vol. 79; Separate No. 315; pg 49. 11 Holtz, R; Kovacs, W; An Introduction to Geotechnical Engineering; 1ra Ed; Prentice Hall; 1981; pg 79. 12 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 79.


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ii) Láminas de octaedros compuestos cada uno por seis átomos de oxígeno o hidroxilos alrededor de un átomo de aluminio, magnesio, hierro, calcio, sodio, litio, hidrógeno o potasio, unidos repetidamente por las aristas gracias a sus átomos compartidos de oxigeno13 (Figura 2.3). Dicha lámina recibe comúnmente la representación de rectángulo propuesta por el Profesor Lambe14, de acuerdo a la Figura 2.4.

Figura 2.3. Lámina compuesta por octaedros de aluminio (gibsita) o magnesio (brucita)15.

Figura 2.4. Representación esquemática para lámina de octaedros, para este caso en particular gibsita16.

La múltiple combinación en diferentes proporciones de laminas de tetraedros y octaedros, da como origen a los distintos tipos de arcillas conocidos, en la que cada cual exhibe un comportamiento asociado con dicha combinación de láminas: Caolinita (1:1) en Figura 2.5, Montmorillonita (2:1) en Figura 2.6 e Ilita (2:1, con átomo de potasio uniendo las capas de tetraedros)17 en Figura 2.7.

13 Lambe, T; Op. cit.; 1953; pg 49. 14 Lambe, T; Ibíd.;1953; pg 49. 15 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 80. 16 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 80. 17 Grim, R; Physico-Chemical Properties of Soils: Clay Materials; Jounal of the Soil Mechanics and Foundations Division; ASCE; Vol 85; No. SM2; pg 1 -17.


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Figura 2.5. Diagrama esquemático para caolinita18.

Figura 2.6. Diagrama esquemático para montmorillonita19.

Figura 2.7. Diagrama esquemático para Ilita20.

18 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 81. 19 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 83. 20 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 86.


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2.1.1 SUSTITUCIÓN ISOMORFA La gran variedad de elementos químicos - enumerados en la sección anterior - que pueden encontrarse en los octaedros, deriva de un fenómeno llamado sustitución isomorfa, en el que el catión presente en dicha estructura no necesariamente es un aluminio, sino un átomo de aproximadamente el mismo tamaño y similar valencia21, cuya disponibilidad en el momento y lugar de la creación de la arcilla era superior a la del aluminio. Dicha sustitución da a lugar una estructura cristalina distorsionada debido a la ausencia de neutralidad en las cargas eléctricas presentes, que como se analiza posteriormente en este capitulo da origen a dos interesantes fenómenos, que influyen marcadamente en el comportamiento de los suelos arcillosos: fuerzas de interacción eléctricas entre partículas de arcilla e interacción de partículas arcillosas con el agua. 2.2 TAMAÑO, ESTRUCTURA Y EFECTO DEL AGUA Debido al tipo de meteorización de la cual provienen las partículas de arcillas, su tamaño es muy reducido, abarcando diámetros inferiores a los 2 µm, con una característica forma laminar en la que dos de sus dimensiones son marcadamente superiores a la tercera (ver Figuras 2.8 y 2.9). Figura 2.8. Partícula individual de caolinita22. Figura 2.9. Partícula individual de ilita23. Sin embargo, como se explica más adelante en este aparte, debido a la presencia de parcialidades eléctricas en las partículas individuales de arcilla, se da origen a diversas fuerzas de atracción y repulsión en las partículas, que las agrupan en floculos o las dispersan (ver Figura 2.10) dependiendo de factores tan importantes como la naturaleza misma de la arcilla (estructura cristalina y deficiencia de cargas) y/o la presencia masiva de iones en el agua de hidratación. La conformación de los anteriores estados de floculación o de dispersión, imprime una característica respuesta mecánica de los suelos a los diferentes estados de esfuerzos a los que sean sometidos en la práctica.

21 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 79. 22 Lambe, T; Whitman, R; Mecánica de Suelos; 2da. Ed.; 2001; Ed. Limusa; pg 57. 23 Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; 2001; pg 57.


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Figura 2.10. Fotografía de microscopio para ilita floculada (longitud de línea clara equivale a 5µm)24.

2.2.1 SUPERFICIE ESPECÍFICA El parámetro superficie especifica (SE) define la cantidad de área superficial por volumen o masa que ostenta cada partícula. En términos de volumen dicho parámetro esta dado por la Ecuación 2.1:

VSupASE ..

= (2.1)

Para lograr entender la anterior relación supongamos una esfera de radio uniforme. Al disminuir el radio en cierto grado las dos variables que componen la anterior relación se ven afectadas en diferente proporción, ya que el área superficial disminuye proporcionalmente al cuadrado del radio, mientras que el volumen lo hace al cubo del mismo. De lo anterior se deduce que la superficie específica para una partícula pequeña ha de ser superior que aquella para una partícula de tamaño superior. Dicho resultado adquiere singular importancia extrapolado al concepto de matriz de suelo en el que las partículas se ven rodeadas por agua, ya que implica que un volumen determinado compuesto de partículas pequeñas requiere una cantidad significativamente mayor de agua para hidratar la totalidad de sus superficies, que aquel que necesitaría el mismo volumen compuesto por partículas relativamente mas grandes. En la práctica esto se evidencia en el elevado contenido de agua que tradicionalmente presentan los suelos constituidos en su mayoría por partículas de arcilla. Una vez familiarizados con la definición de superficie específica en términos de volumen, basta con relacionar el volumen de la partícula con el peso mediante la densidad del material, para alcanzar la definición de este parámetro en términos

24 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 86.


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de masa, lo cual se logra mediante la multiplicación del numerador por esta propiedad, es decir según la Ecuación 2.2:

MSupA

VSupASE ....

=⋅

=ρ

(2.2)

Esta última definición es la más acogida en ámbitos académicos y en la cual se reportan usualmente los datos encontrados. En la Tabla 2.1 se reportan los valores de grosor, diámetro y superficie específica para cuatro de los más representativos minerales de arcilla.

Tabla 2.1. Valores Promedio Relativos Típicos de Ancho, Diámetro y Superficie Específica para Minerales de Arcilla Representativos25.

Mineral de Arcilla

Grosor Típico (nm)

Diámetro Típico (nm)

Superficie Especifica (km2/kg)

Montmorillonita 3 100-1000 0.8

Ilita 30 10000 0.08

Clorita 30 10000 0.08

Caolinita 50-2000 300-4000 0.015

2.2.2 ASOCIACIÓN ENTRE AGUA Y PARTÍCULAS ARCILLOSAS Adicionalmente a los altos contenidos de agua usuales en suelos de este tipo, se originan otros aspectos que involucran al agua y a las partículas de arcilla como protagonistas. El origen de esta situación radica en las características de deficiencia o suficiencia de electrones de cada una de las partes. En primer lugar, el agua como molécula dipolar, posee dos centros definidos de carga, uno positivo y otro negativo, por lo cual dichas moléculas se ven electroestáticamente atraídas hacia las superficies de los cristales que forman las arcillas, gracias a lo cual se forman puentes de hidrógeno supremamente estables y fuertes que adhieren vigorosamente las moléculas de agua a las paredes de las partículas. Además de lo anterior dada la carga negativa neta predominante en la superficie de las arcillas, todos aquellos cationes en solución presentes en el agua, tienden a arrastrar las moléculas de la misma hacia las arcillas26. Todos los factores anteriormente mencionados aunados, generan una fuerte asociación.

25 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 91. 26 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 72.


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La anterior asociación implica que las partículas de arcilla y las moléculas de agua presentes en los intersticios de la matriz de suelo, produzcan una particular secuencia de capas que difieren de las presentadas en suelos de tamaño superior, como se puede ver en la Figura 2.11. Dicha secuencia se explica a continuación27:

i) Agua Adsorbida: Con un grosor de aproximadamente dos moléculas de agua (0.005µm), estas se encuentran sujetas a la superficie de la arcilla por poderosas fuerzas eléctricas, que les confieren un estado que podría describirse como sólido. Esta capa no puede ser removida mediante secado al horno y se considera como parte de la partícula de suelo.

ii) Agua Químicamente Combinada (Doble Capa): Con un grosor medio de 0.04µm, cumple la función de agua de hidratación dentro de la estructura cristalina de la arcilla. Su grosor depende de varios factores, primordialmente diámetro de la partícula, catión presente en la lámina de octaedros y presencia de iones en solución dentro del agua. Con contadas excepciones, no es posible removerla por medio de secado al horno.

iii) Agua Libre en Intersticios: No se encuentra sujeta rígidamente como las dos anteriormente mencionadas y es libre de moverse entre las partículas de suelo. Es fácilmente removible mediante el uso de drenajes, secado al aire libre y secado al horno.

Figura 2.11. Secuencia de capas de agua alrededor de una partícula arcillosa28 La configuración de capas de agua anteriormente descritas, es en gran parte responsable del complejo comportamiento que aduce el suelo bajo los estados de esfuerzos inferidos a estos durante la práctica de la ingeniería civil, y particularmente de sus características mecánicas viscosas, en las que se interesa este documento. 2.2.3 FUERZAS DE CARÁCTER ELECTRICO ENTRE PARTÍCULAS Retomando las características de desfase en magnitud de cargas predominante en este tipo de suelos, es de esperarse que no solo se ejerza una atracción entre

27 Bardet, J; Experimental Soil Mechanics; 1ra Ed; Prentice Hall; 1997; pg 76. 28 Bardet, J; Ibíd.; 1997; pg 76.


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las partículas y el agua adyacente, sino que una vez formalizadas las diferentes capas de liquido alrededor de los cristales de arcilla, surja una nueva interacción entre cada una de las partículas (suelo+agua) en virtud a lo anterior. Es así como entran en juego fuerzas de carácter eléctrico, que poseen dos características importantes: i) se originan en el interior de los cristales minerales y ii) pueden tener influencia a distancias relativamente “grandes” del orden de cientos de Å. Estas fuerzas en buena medida dictan la posible composición estructural que han de tener los suelos, como se explica a continuación:

i) Fuerzas de Coulomb: Las partículas de arcilla presentan una predominante carga negativa, que tiende a equilibrarse ante los cationes presentes en el agua que forma la doble capa. Sin embargo debido a la existencia de otras partículas en similares condiciones, una vez sus dobles capas entren en contacto directo, tomará lugar una fuerza de repulsión en respuesta a la aproximación de estas dos partículas con igual polaridad. Por lo tanto, dicha fuerza se encuentra estrechamente regulada por el tamaño de las dobles capas exhibidas por las partículas, generando así que cualquier variación en el sistema que afecte dicho tamaño afecte la magnitud de las mismas. Es decir, para una misma distancia intergranular se observa una disminución en las fuerzas de repulsión, directamente proporcional a la disminución en el grosor de las dobles capas de los cristales actuantes29.

ii) Fuerzas de van der Waals: Se constituyen como fuerzas de atracción que actúan entre las moléculas adyacentes. Estas fuerzas tienen el efecto equivalente a la existencia de un esfuerzo externo que ayuda a cohesionar las partículas. Su presencia se debe a la existencia de moléculas dipolares30 (agua primordialmente) y sus efectos son solo apreciables a ínfimas distancias, lo cual dada las pequeñas dimensiones de las partículas de arcilla, hace que sean posibles en dicho sistema. Su efecto no se ve afectado por las características del fluido existente en la matriz de suelo31.

2.2.4 INTERACCIÓN ENTRE PARTÍCULAS DE ARCILLA De acuerdo al balance entre los dos tipos de fuerzas anteriormente mencionadas, se pueden encontrar dos tipos básicos de estados de organización en las partículas: floculación o dispersión. El primero obedece a una preponderancia de las fuerzas de atracción, por lo cual las partículas tienden a moverse la una hacia la otra. La manera en que estas establezcan contacto se ve influenciada directamente por el ambiente de sedimentación en el que hayan sido producidas, en especial por el tipo de iones

29 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 69. 30 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 92. 31 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 69.


20

en solución dentro del agua adyacente. Existen dos tipos primordiales de floculación que se explican a continuación:

i) Floculación Salina: Ocurre en ambientes marinos, donde los iones en solución son primordialmente sodio y magnesio32. En esta disposición existe cierto grado de paralelismo (contacto cara-cara) entre partículas adyacentes33, como se observa en la Figura 2.12.

Figura 2.12. Disposición de floculación salina34.

ii) Floculación No Salina: Toma lugar en depósitos de sedimentos con presencia de agua dulce, donde los iones disponibles son calcio y potasio35. En este tipo de floculación, las partículas tienden a orientarse normalmente entre si (contacto borde-cara)36, dada la atracción electroestática entre el borde de una partícula (polaridad positiva) y la cara de la otra (polaridad negativa, originada de la sustitución isomorfa), como se observa en la Figura 2.13.

Figura 2.13. Disposición de floculación no salina37. La segunda disposición posible, se debe a la superioridad de las fuerzas de repulsión, donde las partículas se orientan como un conjunto de naipes (contacto borde-borde). Aunque en su gran mayoría, los suelos arcillosos se encuentran en disposición floculada, en contadas ocasiones durante su producción en depósitos de sedimentación donde el contenido de humedad es elevado, es posible que se encuentren disposiciones dispersas38 (Figura 2.14).

32 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 93. 33 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 70. 34 Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; pg 71. 35 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 93. 36 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 70. 37 Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; pg 71. 38 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 96.


21

Figura 2.14. Disposición dispersa39. En cuanto a las propiedades de la matriz de suelo de las que depende la tendencia a una u otra disposición, se debe recordar la discusión del anterior apartado, en la que se aclaraba la ingerencia que dichas condiciones tenían en las fuerzas de Coulomb y la no dependencia de las fuerzas de van der Waals hacia las mismas. Dado lo anterior, se establecen ciertas propiedades que al ser alteradas provocan una tendencia hacia la floculación, resumidas en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2. Propiedades a aumentar o disminuir para ayudar la floculación40.

Aumento de las Siguientes Propiedades Disminución de las Siguientes Propiedades

Concentración de electrolitos Constante dieléctrica

Valencia iónica Tamaño del ion hidratado

Temperatura Adsorción de aniones

pH

2.2.5 ARREGLOS DE PARTÍCULAS ARCILLOSAS Como se había discutido en uno de los numerales anteriores, la incidencia de las fuerzas eléctricas sobre los elementos constitutivos de los suelos arcillosos, hacen que rara vez sean encontrados granos en condición aislada. Dada esta condición, se hace la siguiente clasificación41 en torno a los arreglos que constituyen la microestructura y la macroestructura de la arcilla, como se aprecia en la Figura 2.15:

- Dominios (Domains): Partículas individuales de arcilla en estado floculado, que constituyen arreglos submicroscópicos.

- Grupos (Clusters): Conjunto de dominios que se unen a su vez, para dar lugar a estructuras fácilmente detectables por medio de microscopios.

- Granos (Peds): Compuesto de grupos de tamaño macroscópico, que junto con las fisuras y discontinuidades del suelo dan lugar a la macroestructura

39 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 71. 40 Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; pg 70. 41 Yong, R; Sheeran, D; Fabric Unit Interaction and Soil Behaviour; Proceedings of the International Symposium on Soil Structure; Gothenburg, Sweden; 1973; pg 176 -183.


22

del suelo, ejerciendo una influencia importante en el comportamiento del suelo en la práctica.

Figura 2.15. Diagrama esquemático de la microestructura y macroestructura de las arcillas: 1, Dominios; 2, Grupos; 3, Granos; 4, Grano de limo; 5, Microporo; 6, Macroporo42.

2.3 COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA ARCILLOSA BAJO CARGA 2.3.1 CONTACTO ENTRE PARTÍCULAS La consecuencia más notable de la presencia de lo doble capa, es el nulo contacto entre partículas sólidas, lo que implica una dependencia absoluta del contenido de agua en cuanto a la interacción partícula-partícula, especialmente en el grosor de la doble capa, confiriéndole una mayor o menor plasticidad y viscosidad, dado el caso. Adicionalmente, la presencia de esta capa desliga a este tipo de suelos, de la dependencia directa de la resistencia y comportamiento mecánico con respecto a la forma y tamaño de las partículas en la matriz de suelo (granulometría), con la que se identifican a los suelos granulares. Si bien, aunque de manera indirecta, en virtud de su alta superficie especifica los suelos arcillosos mantienen una observancia con el tamaño de sus partículas, la combinación del anterior factor y de su tendencia a atraer ciertas cargas - dadas las características eléctricas tanto del agua como del suelo - es la que provee a los suelos arcillosos (compuestos en su mayoría por partículas inferiores en diámetro a 2µm) de su particular respuesta a los esfuerzos.

42 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 98.


23

A pesar de la nula existencia de un contacto partícula-partícula anteriormente anotada, se ha demostrado experimentalmente43, que la transmisión de esfuerzos normales tanto en arcillas dispersas como floculadas sucede gracias a la transmisión de estos mediante fuerzas eléctricas de largo alcance - aun ante la ausencia de contacto físico - para las primeras, y mediante el contacto indirecto de la doble capa para las segundas. 2.3.2 CAMBIO DE ESTRUCTURA BAJO CARGAS El alto contenido de agua y la peculiar interacción entre la interfase liquida y la sólida presente en este tipo de suelos, hace que la respuesta mecánica característica de estos sea marcadamente diferente a la de los suelos granulares. Lo anterior debido primordialmente a la ausencia de capacidad del agua para soportar los esfuerzos cortantes que se presentan al interior del suelo. Esta característica del líquido conlleva a la migración del mismo, hacia fuera de la masa sujeta a dicho tipo de esfuerzos, dejando a su paso espacio en los intersticios de la matriz granular, que tienden a generar reacomodamiento de partículas, en busca de una estructura mas densa que pueda sobrellevar la solicitación impuesta por la carga aplicada. En este punto, debe hacerse la salvedad de que es el agua libre intersticial, aquella que se ve forzada a dejar los poros de matrices sujetas a esfuerzos cortantes, toda vez que el agua adsorbida y la doble capa permanecen alrededor de las partículas, aunque la segunda sea objeto de disminución en su espesor debido al incremento en los esfuerzos normales efectivos entre las partículas. Un aspecto interesante del comportamiento mecánico de los suelos está asociado con este proceso de migración de agua, pues dada la baja permeabilidad exhibida por las arcillas, este es un fenómeno que se produce retardadamente con respecto a la aplicación de la carga externa, dando lugar a un comportamiento mecánico viscoso evidenciado en la lenta evolución de la reducción de los poros (deformación) con respecto al momento en que se aplicó la carga. Paralelamente, a esta disminución en el tamaño de los poros por reacomodamiento de las partículas, suele llevarse a cabo un proceso de creep (reducción de volumen bajo esfuerzo efectivo constante) en el que los cristales de arcilla son objeto de deformaciones plásticas permanentes, por el alto grado de concentración de esfuerzos al que son sujetos en los puntos de “contacto”. Aunque estos dos eventos anteriormente descritos, sucedan simultáneamente en la masa de suelo, la teoría los modela como eventos separados que toman lugar uno después del otro (consolidación primaria y secundaria), dada la dificultad para obtener representaciones matemáticas acertadas, para un sistema tan extremadamente complejo.

43 Bolt, G; Physico-Chemical Analysis o the Compressibility of Pure Clays; Géotechnique; Vol. 6; pg 86; 1956.


24

2.4 SENSITIVIDAD Y EFECTO DEL TIEMPO SOBRE LAS ARCILLAS Con el paso del tiempo debido a efectos físicos y químicos, la estructura va evolucionando siempre en procura de reorganizarse hacia aquel estado que le permita sobrellevar mejor las condiciones reinantes de solicitación, bien sea por el reacomodamiento de particulas ocurrido bajo la aplicación de una carga, proveniente de una acción natural (sedimentación) o acción antropogénica (estructuras artificiales) - como se explicó en el anterior aparte - , o por el surgimiento de cementantes naturales (sílice, calcita u oxido de hierro) en los puntos de proximidad entre dos partículas a partir de una prolongada exposición a agentes químicos. Sin embargo, aunque dichas transformaciones del material logran una mejora considerable en el comportamiento mecánico del mismo, especialmente para aquellas cargas cercanas a los máximos históricos experimentados, son débiles y susceptibles a las perturbaciones por concepto de remoldeo. Para medir dicha susceptibilidad anteriormente anotada, se utiliza el término sensitividad, definido mediante la Ecuación 2.3:

perturbadau

inalteradaut S

SS

,

,= (2.3)

Donde Su, es la notación para resistencia al corte no drenada.


25

CAPITULO 3 TEORIA Y ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO

Los asentamientos presentados en suelos arcillosos bien sean por un incremento en σ’ o por un abatimiento del nivel freático, se originan por la salida del agua contenida en los vacíos de la matriz del mismo suelo, conllevando a una disminución en el volumen de los mismos. En dicho proceso se observa un desfase temporal, debido a la bajísima permeabilidad característica de este tipo de suelos, entre el momento en que se varía la solicitación y aquel en el que se producen los asentamientos. 3.1. TEORÍA DE LA CONSOLIDACIÓN EN UNA DIMENSIÓN DE TERZAGHI El profesor Karl Terzaghi - apoyado en sus conocimientos de flujo de calor en medios porosos - propuso en 1925 la teoría de la consolidación en una dimensión44. En esta, haciendo usos de las variables esfuerzo efectivo (σ’), presión de poros (u) y esfuerzo total (σt), que posteriormente se extendieron para explicar otros fenómenos de la mecánica de suelos, explica de manera separada la relación esfuerzo-deformación y tiempo-deformación en una masa de suelo. Para la relación tiempo-deformación se plantea la ecuación diferencial:

( ) ( )zuEk

tu

w

s2

2

∂∆∂

⋅⋅

=∂∆∂

γ (3.1)

Dicha ecuación fue desarrollada bajo los siguientes supuestos45:

i) La arcilla esta 100% saturada. ii) Existen condiciones de frontera drenadas tanto en la parte superior como

en la inferior. iii) La ley de Darcy es válida, para las velocidades de flujos desarrolladas en

el proceso. iv) La compresión y el flujo son unidimensionales (oedométricas) v) Los granos de suelo y el agua son incompresibles. vi) El incremento de carga aplicado no produce ningún cambio significativo en

el grosor (small strain theory), y tanto Es como k permanecen constantes. vii) Hay una única relación lineal entre el cambio de volumen ∆ε y el cambio

en el esfuerzo efectivo ∆σ’. En otras palabras, ∆ε= Es ∆σ’, donde Es se supone constante a lo largo del intervalo de esfuerzos aplicados.

44 Terzaghi, K; Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage; Leipzig and Vienna; Deuticke;1925. 45 Holtz, R; Kovacs, W; Op.cit.; 1981; pp 683.


26

Las suposiciones anteriormente anotadas, dejan dos puntos importantes a resaltar: i) El hecho de que la anterior ecuación este basada en una teoría small strain, indica que no tiene en cuenta la posibilidad de que se desarrolle creep (disminución de e bajo σ’ constante) y en consecuencia la existencia de una consolidación secundaria (que se explicará en el siguiente numeral); y ii) Al suponer una relación lineal única que relacione los ∆ε y los ∆σ, se supone un comportamiento lineal elástico del suelo, que nuevamente omite las deformaciones plásticas (creep) asociadas con la consolidación secundaria sobre la cual se hablará más adelante. Si bien como se puede ver a simple vista, la ecuación plantada por Terzaghi no involucra de manera alguna los asentamientos, al involucrar el concepto de presión de poros y por lo tanto ineludiblemente el de esfuerzo efectivo anteriormente mencionados (recuérdese que para este caso σ’= σt+∆σt-u-∆u), se logra modelar las deformaciones causadas al suelo. Esto debido a que como bien observo el mismo Terzaghi, al realizar un incremento en el esfuerzo total ∆σt, el esqueleto de suelo inicialmente no asume ninguna porción de los esfuerzos derivados del incremento externo (σ’= 0), sino que por el contrario estos son tomados temporalmente en su totalidad por el agua incluida en los poros en forma de presión de poros en exceso (∆u = ∆σt). De tal manera, la ecuación describe la disipación de ∆u en el tiempo y de tal manera el incremento proporcional de σ’ (Figura 3.1). Finalmente dado que la salida de agua de los poros que causa el cambio volumétrico en la arcilla, está directa y proporcionalmente relacionada con la disipación de ∆u, la cantidad de asentamiento presentado en un tiempo dado, se puede encontrar como un porcentaje de los asentamientos finales que se producirán una vez finalizada la consolidación, tal como se ve más adelante en la Ecuación 3.8.

Figura 3.1. Evolución del esfuerzo total, esfuerzo efectivo y presión de poros

respectivamente durante la consolidación En cuanto a la modelación de la relación esfuerzo-deformación, tras observar un comportamiento típico en las curvas de relación de vacíos contra esfuerzo (ver Figura 3.2.), se caracterizó dicho comportamiento de la siguiente manera:


27

Figura 3.2. Comportamiento típico del suelo ante una carga oedometrica

- Un suelo con esfuerzos verticales efectivos (σ’) igual a cero que es cargado

oedométricamente, sigue en el espacio cartesiano e contra log (σ’/σ’0) una trayectoria lineal definida de compresión caracterizada por una pendiente Cs. A este comportamiento se le denomina rama de recarga o sobreconsolidada (SC).

- Continuando el proceso de carga-compresión, una vez dicho suelo alcanza su máximo esfuerzo vertical efectivo histórico (σ’p), cambia su comportamiento hasta alcanzar una pendiente mayor denominada Cc. Dicho comportamiento sigue indefinidamente mientras la aplicación de carga continúe incrementándose y se denomina rama virgen o normalmente consolidada (NC).

- En caso de que una vez encontrándose el suelo en estado NC, se disminuya la carga que actúa sobre este, el suelo se expande disminuyendo la deformación y por lo tanto aumentando la relación de vacíos (e), cambiando nuevamente su comportamiento para dicho proceso de descarga-expansión alcanzando una pendiente Cs, dicha fase recibe el nombre de rama de descarga.

- El comportamiento del suelo sigue invariado mientras la carga aplicada se reduce y en caso de que esta sea incrementada vuelve a un proceso de carga-compresión sin variar hipotéticamente la pendiente de su trayectoria. Si bien las pendientes de las ramas de recarga y descarga son similares como se puede apreciar en la Figura 3.2; se nota a la vez la existencia de histéresis toda vez que no se sigue exactamente la misma trayectoria.

- El suelo continua con su comportamiento SC, hasta alcanzar el nuevo σ’p, correspondiente a la carga máxima antes de que se diera lugar a la descarga, donde cambia una vez mas su conducta a NC con una pendiente Cc.

σ0’: Esfuerzo de Referencia Arbitrario


28

El cálculo de las respectivas pendientes Cs y Cc se realiza basándose en la información sacada de la gráfica e vs. log (σ’/σ’0), (Figura 3.4), siguiendo la ecuación 3.2 y Ecuación 3.3.

Figura 3.1. Cálculo de Cs y Cc

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

−=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛

−=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛∆

∆=

''log'

'log''log'

'log1

2

21

0

1

0

2

21

0 σσ

σσ

σσ

σσ

eeeeeCs (3.2)

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

−=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛

−=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛∆

∆=

''log'

'log''log'

'log1

2

21

0

1

0

2

21

0 σσ

σσ

σσ

σσ

eeeeeCc

(3.3)

Para caracterizar el comportamiento de un suelo arcilloso dado, se decidió emplear la variable OCR (over consolidation ratio) definido a continuación:

''

p

OCRσσ

= (3.4)

Dicho parámetro refleja los comportamientos sobre y normalmente consolidados de la siguiente manera:

- Normalmente Consolidado: El valor de OCR se hace igual a 1, toda vez que en cualquier punto de la rama virgen el esfuerzo efectivo actuante σ’ sobre el suelo en ese momento, es igual al valor máximo histórico σ’p; nótese que el valor de OCR jamás puede ser inferior a 1.


29

- Sobreconsolidado: El valor de OCR es superior a la unidad, bien sea por que el suelo se encuentra en la rama de descarga o de recarga, donde el σ’ es inferior a σ’p.

En cuanto al cálculo de los asentamientos debidos a la consolidación, basándose en la gráfica anterior y en el estado de consolidación actual del suelo se utilizan las siguientes ecuaciones. Donde spf es el asentamiento final debido a la consolidación, H0 es la longitud inicial del estrato, e0 es la relación de vacíos inicial, σ’i es el esfuerzo efectivo inicial del suelo y ∆σt el incremento de esfuerzo total al que va a ser sometido el suelo.

- Para el caso en el cual el suelo continúa a través del proceso con un OCR mayor a 1, es decir de un σ’i bajo a uno un poco mas alto pero aun así inferior a σ’p, se utiliza la Ecuación 3.5.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+⋅

+⋅=

''

log1 0

0

i

tispf e

HCs

σσσ (3.5)

- Para el caso en el cual el suelo cambia durante el proceso de un OCR

mayor a 1 a uno igual a 1, es decir de un σ’i inferior a σ’p pasa a uno superior que a su vez se convierte en el nuevo σ’p, se utiliza la Ecuación 3.6.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+⋅

+⋅+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

+⋅=

''log

1''

log1 0

0

0

0

p

tic

i

pspf e

HCe

HCsσ

σσσσ

(3.6)

- Para el caso en el cual el suelo continua a través del proceso con un OCR

superior a 1, es decir de un σ’i superior a σ’p a uno aun mayor, se utiliza la Ecuación 3.7.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+⋅

+⋅=

''

log1 0

0

i

ticpf e

HCs

σσσ (3.7)

De manera análoga de acuerdo a lo anteriormente explicado, los asentamientos originados por consolidación para un tiempo x cualquiera entre el inicio y el final de dicho proceso, están dados por la Ecuación 3.8.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆

∆−⋅= =

=t

xtpfxtp

uss

σ)(

)( 1 (3.8)

Durante los 79 años de uso de esta teoría se ha podido apreciar, incluso por parte del mismo Terzaghi46, que las predicciones basadas en la relación tiempo-

46 Terzaghi, K; Discussion; Proc. 3rd. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng. ; Zurich; Vol. 3; 1953; pp 158-159.


30

deformación no siempre concuerdan con los resultados observados en el terreno. Es de resaltar, sin embargo, que el planteamiento de un modelo físicamente basado para un fenómeno de esta complejidad, fue un logro inmenso para la época y dió lugar al desarrollo actual de la geotecnia, convirtiéndose en una herramienta de gran utilidad como primera aproximación a las magnitudes del problema. 3.2. PLANTEAMIENTO DE LA HIPOTESIS A E HIPOTESIS B En 1936, tan solo 11 años después de la publicación del trabajo de Terzaghi concerniente con la consolidación en arcillas, Buisman47 y Gray48 fueron los primeros en presentar diferencias respecto a los resultados previstos por la teoría del primero. Para dar explicación y modelar dichas discrepancias, se abrió paso una diferenciación del problema en dos fenómenos distintos que producen los asentamientos observados. Según esta diferenciación, inicialmente se produce una variación en el esfuerzo efectivo como consecuencia de la disipación de ∆u y salida de agua asociada en los poros, a la cual se le llama consolidación primaria (la cual es explicada por la teoría de Terzaghi descrita en el numeral anterior). Dicha etapa culmina una vez el esfuerzo efectivo se hace constante (∆u=0), tras lo cual sigue causándose cambio volumétrico, pero esta vez debido a deformaciones plásticas (creep) en la estructura del suelo y sus partículas, denominándose a esta ultima consolidación secundaria. El comportamiento de la consolidación secundaria (Figura 3.5) está caracterizado por una pendiente Cα y sus asentamientos son calculados a partir de dicha pendiente. Ambos están dados respectivamente por las Ecuación 3.9 y Ecuación 3.10.

Figura 3.5. Evolución de las consolidaciones primarias y secundarias en el tiempo.

47 Buisman, A; Results of long duration settlement test; Proc. 1st. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Cambridge; Vol. 1; 1936; pp 103-107. 48 Gray, H; Progress report on research on the consolidation of fine grained soils; Proc. 1st. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Cambridge; Vol. 2; 1936; pp 138-141.


31

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∆

=

i

ft

teC

logα (3.9)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅

+⋅=

i

f

p

ps t

te

HCs log

1α (3.10)

Para la Ecuación 3.10, ss se refiere a los asentamientos por concepto de consolidación secundaria, Hp al grosor del estrato al final de la consolidación primaria, ep a la relación de vacíos al final de la consolidación primaria y t al tiempo transcurrido desde la culminación de la consolidación primaria hasta el momento a analizar. La trascendencia de esta diferenciación de fenómenos en el tiempo - a la cual se le denomina Hipótesis A – es que implica la separación de los dos fenómenos convirtiéndolos así en dos etapas sucesivas diferentes. Posteriormente Taylor & Merchant49 en su trabajo conjunto y Taylor50 en su trabajo individual, postulan la denominada Hipótesis B, según la cual la ocurrencia de los asentamientos en suelos arcillosos se debe a la coexistencia temporal de la salida del agua incluida en los poros y a deformaciones plásticas en la estructura del suelo, es decir plantean la coexistencia temporal de la consolidación primaria y secundaria. La importancia intrínseca de la discusión alrededor de las dos hipótesis, es apreciable desde el punto de vista del comportamiento reológico de la arcilla, ya que como material viscoso (aquel en el que se observa un desfase importante entre el momento en que es aplicada una carga y el momento en que se presenta la deformación asociada a esta) la hipótesis A plantea que dicho comportamiento durante la consolidación primaria, obedece al retardo en la disipación de ∆u y por ende de la salida del agua intersticial ubicada en los poros de la matriz de suelo, debido a la baja permeabilidad propia de tales materiales; mientras que la hipótesis B propone que dicho comportamiento es fruto, tanto del retardo en la disipación de ∆u como de características viscosas inherentes a las partículas y estructura del suelo. El debate acerca de cual de las dos hipótesis refleja de manera más certera el comportamiento de los suelos arcillosos sigue vigente hasta la fecha, nutrido por la intervención de varios académicos como Šuklje51, Barden52 y Bjerrum53 a favor de

49 Taylor, D; Merchant, W; A theory of consolidation accounting for secondary compression; J. Math. Phys; Vol. 19; 1940; pp 167-185. 50 Taylor, D; Research on consolidation of clays; Series 82; 1942; Massachusetts Institute of Technology. 51 Šuklje, L; The analysis of the consolidation process of the isotache method; Proc. 4th. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; London; Vol. 1; 1957; pp 200-206.


32

la hipótesis B y de Leonards54, Mesri & Godlewski55 y Ladd et al.56 a favor de la hipótesis A. Sin embargo a pesar de la discusión al respecto, todavía no se ha presentado un cambio significativo en la práctica ingenieril ni en la manera de interpretar el comportamiento de los suelos arcillosos, que sigue influenciada principalmente por los planteamientos de la primera hipótesis. 3.3. CONCEPTO DE ISOTACAS DE ŠUKLJE En 1957 influenciado visiblemente por la hipótesis B planteada por Taylor & Merchant6, Lujo Šuklje57 desarrolla el concepto de isotacas (líneas en el espacio semilogarítmico esfuerzo-deformación o esfuerzo-relación de vacíos, sobre las cuales se viaja a una velocidad de deformación constante o análogamente a una velocidad de relación de vacíos constante) en el que resaltaba la influencia predominante de la velocidad de deformación (έ) en la relación esfuerzo deformación de los suelos arcillosos. Según sus observaciones basadas en ensayos oedométricos con tasa de deformación controlada (CRS pos sus siglas en inglés), es evidente que al cambiar έ se presentan múltiples líneas en el espacio semilogarítmico e vs. log (σ’/σ’0), tras lo cual concluyo que un cambio significativo en el estado de esfuerzos ocurre como efecto de un cambio significativo en έ. En la Figura 3.6 se puede observar como debido a la viscosidad, un aumento en έ causa un desplazamiento de la línea e vs. log (σ’/σ’0) hacia esfuerzos mas altos o análogamente asentamientos mas bajos y en contraposición una disminución en έ causa un desplazamiento de la misma línea hacia esfuerzos más bajos o análogamente asentamientos más altos.

Figura 3.6. Comportamiento de suelos arcillosos en ensayos CRS, de acuerdo a las isotacas de Šuklje.

52 Barden, L; Consolidation of clay with non-linear viscosity; Géotechnique; Vol. 15; No. 14; 1965; pp 345-362. 53 Bjerrum, L; Seventh Rankine Lecture: Engineering geology of Norwegian normally consolidated marine clays as related to the settlement of buildings; Géotechnique; Vol. 17; No. 2; 1967; pp 83-118. 54 Leonards, G; Panel discussion; Proc. 9th. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Tokyo; Vol. 3; 1977; pp 384-386. 55 Mesri, G; Godlewski, P; Time and stress compressibility interrelationship; J. Geotech. Engng. Div. Am. Soc. Civ. Engrs.; Vol. 103; No. 5; 1977; pp 417-430. 56 Ladd, C; Fott, R; Ishihara, K; Schlosser, F; Poulos, H; Stress-deformation and strength characteristics; Proc. 9th. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Tokyo; Vol. 2; 1977; pp 421-494. 57 Šuklje, L; Op. cit.; 1957.


33

De igual manera Šuklje postuló que dicho comportamiento de isotacas se presenta cada vez que un suelo con propiedades mecánicas viscosas es comprimido a una έ=cte., independientemente al numero, magnitud y duración de las descargas anteriormente experimentadas a lo largo de su historia. Adicionalmente de la dependencia del comportamiento mecánico de suelos arcillosos con respecto a έ, en su trabajo Šuklje también menciona los fenómenos de creep y relajación (disipación o reducción de esfuerzos efectivos bajo volumen constante, ∆e=0) como efectos propios de la viscosidad exhibida por dichos suelos. Con respecto a la presencia de cambios escalonados en έ y a fases de creep, dicho autor menciona aspectos importantes que se sintetizan a continuación:

- Al ocurrir cambios escalonados en έ, el suelo adopta etapas de transición para posteriormente readoptar el comportamiento de isotacas bajo la έ actuante en ese momento sobre este (Figura 3.7).

Figura 3.7. Comportamiento del suelo arcilloso ante cambios escalonados en έ según la teoría de isotacas de Šuklje.

- Ante la posible ocurrencia de una fase de creep intercalado en un ensayo CRS, el comportamiento del suelo en el espacio e vs. log (σ’/σ’0) tiende nuevamente a la isotaca correspondiente a la έ que se le imponga tras la aplicación sostenida de un σ’ dado (Figura 3.8).


34

Figura 3.8. Comportamiento del suelo arcilloso ante fases de creep en un ensayo CRS

según la teoría de isotacas de Šuklje. La explicación que da dicho autor a la dependencia del comportamiento mecánico de los suelos arcillosos con respecto a έ, es que la deformación y reacomodos mutuos entre las partículas ocurren simultáneamente con la disipación de ∆u (lo cual es acorde con los planteamientos de la hipótesis B) y que cuando la carga aplicada al suelo se realiza de manera lenta, el esqueleto granular tiene más tiempo para densificarse mediante deformaciones plásticas (creep), hasta finalmente alcanzar un determinado estado de esfuerzos. Vale la pena aclarar que para la realización de los ensayos CRS en los que se validaron dichas observaciones, las velocidades de deformación (έ) son extremadamente lentas en relación a las que se desarrollan en ensayos de consolidación de carga controlada (ensayo oedométrico rutinario o MSLp), de manera tal que no se presente ∆u en la muestra. En caso de que las velocidades desarrolladas fueran significativas, el ∆u fue medido para permitir que fuera posible determinar σ’. 3.4. EFECTO DEL ENVEJECIMIENTO (CREEP) DE BJERRUM En 1967 durante la 7ma. Conferencia Rankine ofrecida por la Institution of Civil Engineers, el conferencista designado Laurits Bjerrum58 expuso un recuento del comportamiento observado en la construcción de edificios sobre arcillas normalmente consolidadas de origen marino en su natal Noruega. En esta conferencia se trataron temas relevantes que afectan la capacidad portante de suelos arcillosos y los asentamientos producidos por la solicitación impartida a este tipo de suelos, entre ellos el más importante para efectos de este trabajo: efecto de consolidación retardada o envejecimiento. En los ensayos de compresión oedométricos realizados por Bjerrum bajo el método de carga controlada, se permitió que cada escalón de carga actuara por un periodo de un día, hasta que el suelo se encontrara en la rama virgen. Una vez 58 Bjerrum, L; Op. cit.; 1967.


35

el σ’p ha sido sobrepasado ampliamente, a uno de los escalones de carga se le extiende el periodo de un día hasta un periodo de treinta días, permitiendo por lo tanto que se desarrolle una deformación plástica importante por cuenta de la consolidación secundaria que toma lugar en el periodo de tiempo extra. Pasado el periodo de treinta días, el suelo vuelve nuevamente a ser objeto de compresión bajo escalones de carga con duración diaria, exhibiendo un comportamiento sobreconsolidado antes de reincorporarse al comportamiento normalmente consolidado siguiendo la proyección lineal dada por el comportamiento normalmente consolidado antes del creep. Dado lo anterior al cambiar de un comportamiento sobreconsolidado a uno normalmente consolidado se experimenta el paso por un σ’p artificial creado por el desarrollo de la consolidación secundaria (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. 3.9). A este Bjerrum le denomina esfuerzo de preconsolidación aparente después de la consolidación secundaria σ’pa (quasi-preconsolidation pressure after delayed compression)59. De manera similar Bjerrum realizó experimentos en muestras pertenecientes al mismo suelo en los que la duración de los escalones de carga era variada, visualizando que para cada una de las variaciones de duraciones (1 hora, 5 horas, 1 día, 4 días y 30 días) se presentaban líneas de la rama virgen paralelas entre ellas, encontrándose las de menor duración por encima de aquellas con mayor duración (Figura 3.9).

Figura 3.9. Comportamiento de suelos arcillosos exhibiendo efecto de envejecimiento según Bjerrum60 Tras las observaciones de Bjerrum y el trabajo llevado paralelamente por Crawford61, el ensayo de consolidación oedométrica sufrió un cambio radical, llevándolo de tener incrementos diarios de carga a incrementos de carga de acuerdo a la predicción del t98 (tiempo para el cual se ha cumplido el 98% de la

59 Bjerrum, L; Problems of soil mechanics and construction on soft clays; State of the art report session IV; Proc. 8th. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Moscow; Vol. 3; 1973; pp 111-159. 60 Adaptada de Bjerrum, L; Ibíd.; 1967. 61 Crawford, C; Interpretation of the consolidation test; J. Soil Mech. Fdns. Div. Am. Soc. Civ. Engrs.; Vol. 90; SM 5;1964;pp 87-102.


36

consolidación primaria) según los métodos de Casagrande62 o Taylor63, aunque lastimosamente es algunos laboratorios casi cuatro décadas después de realizados estos estudios todavía se utiliza el procedimiento de incrementos de carga diarios, implicando que las curvas e vs. log (σ’/σ’0) obtenidas están desfasadas y no representan un comportamiento debido únicamente a consolidación primaria. 3.5. HECHOS RECIENTES En 1976 Hans Jörg Leinenkugel64 plantea en su investigación una manera de modelar matemáticamente las isotacas propuestas por Šuklje, referenciado los cambios que se presenten en el estado de esfuerzos del suelo ante un cambio de έ o fases de creep con respecto a un valor cualquiera de relación de vacios e (Figura 3.10).

Figura 3.10. Modelación de la alteración en el estado de esfuerzos de un

suelo planteada por Leinenkugel. Para tal fin, Leinekugel propuso que la viscosidad del suelo a la que estaban asociados dichos cambios estaba relacionada con la variable Ivα (Cα/Cc) y postuló la Ecuación 3.11 donde involucra dicho parámetro junto con el cambio en έ y σ’.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅=

0

,, log10 ε

εσσ αεε &

&&& vI (3.11)

62 Casagrande, A; Notes on soil mechanics- First semester; Harvard University; 1938; pp 129. 63 Taylor, D; Fundamentals of soil mechanics; John Wiley & Sons; 1st. Ed. ; 1948;pp 700. 64 Leinenkugel, H; Deformations und Festigkeitsverhalten bindiger Erdstoffe. Experimentelle Ergebnisse und ihre physikalische Deutung. Veröff. Inst. Boden-u. Felsmech. Univ. Karslruhe, Heft 159


37

En la Figura 3.9 se muestra el cambio en el estado de esfuerzos por concepto de fenómenos de creep y cambio de έ. La aplicación de la Ecuación 3.11 para cada uno de los casos seria:

- Creep: El suelo inicialmente se desplaza por la isotaca de referencia έ0, hasta el momento en que se inicia la etapa de creep cuando abandona dicha isotaca para finalizar en la isotaca 0.1έ0. Se traza una linea horizontal en el valor e1 donde finaliza el creep cortando las dos isotacas y en el punto en que estas sean cortadas se traza un linea vertical con el fin de encontrar los σ’ correspondientes, para esta caso en particular σ’0.1έ0 para la isotaca 0.1έ0 y σ’ έ0 para la isotaca έ0. Suponiendo que el valor de uno de los dos anteriores valores de σ’ es desconocido se puede utilizar la Ecuación 3.11 para hallarlo.

- Cambio de έ: El suelo se desplaza por la isotaca de referencia έ0 y

posteriormente salta a la isotaca 10έ0. Se traza una linea horizontal en un valor e2 arbitrario cortando las dos isotacas y en el punto en que estas sean cortadas se traza un línea vertical con el fin de encontrar los σ’ correspondientes, para esta caso en particular σ’ 10έ0 para la isotaca 10έ0 y σ’έ0 para la isotaca έ0. Suponiendo que el valor de uno de los dos anteriores valores de σ’ es desconocido se puede utilizar la Ecuación 3.11 para hallarlo.

De igual manera la Ecuación 3.11 puede ser usada indistintamente para hallar tanto el OCR conociendo el cociente έ/ έ0 como al contrario, como se verá más adelante. Un año más tarde en las investigaciones realizadas en arcillas de diverso origen y tipo por el profesor Gholamreza Mesri alternadamente con Godlewski65 y Choi66, se hacen precisiones importantes relacionadas con el valor de Ivα. Según estas apreciaciones existe una única relación Cα/Cc para cada suelo arcilloso independientemente del esfuerzo efectivo, tiempo y relación de vacios, que usualmente se encuentra en el rango de 0.025 y 0.1. Además sugieren que la relación existente en ensayos CRS entre σ’p y έ, es análoga a la consolidación secundaria en ensayos tradicionales con incrementos de carga escalonados, por lo que sugieren la siguiente relación (Ecuación 3.12 de estructura similar a la Ecuación 3.11 propuesta por Leinenkugel) entre σ’, Cc y Cα para arcillas normalmente consolidadas, en las que por efecto de envejecimiento en laboratorio se produzca un σ’pa (Figura 3.11).

65 Mesri, G; Godlewski, P; Op. cit.; 1977. 66 Mesri, G; Choi, Y; Discussion on strain rate behaviour of St. Jean Vianney clay; Can Geotech. J; Vol. 16; No. 4; 1972; pp. 831-834.


38

Figura 3.11. Relación entre σ’, Cc y Cα para arcillas normalmente consolidadas, en las que por efecto

de envejecimiento en laboratorio se produzca un σ’pa.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=∆

1

2log

2

1

1

2

2

1

2

1

1

2

10''

log''log

''loglog

tt

CC

c

c

c

tt

CC

CttCe

α

σσ

σσ

σσ

α

α

(3.12)

Dado que Cα/Cc es constante, dicha relación sugiere que para ensayos realizados con incrementos de carga escalonados de diferente duración o ensayos CRS bajo distintas, las curvas obtenidas para cada uno de los tiempos del escalón de carga y para cada una de las έ en ensayos CRS serán paralelas entre sí. Posteriormente en 1983 Graham, Crooks & Bell67, siguiendo los pasos de las investigaciones realizadas en arcillas de origen lacustre del oriente canadiense por Richardson & Whitman68, donde se analiza el efecto de έ en la resistencia a cortante no drenada de arcillas (Su), profundizan este tema teniendo en cuenta además el efecto similar que produce en el comportamiento a compresión oedométrica, observando que Su y σ’p disminuyen su valor hasta en un 10% ante un decremento de 10 veces en έ. Con respecto a la resistencia a cortante no drenada las conclusiones más importantes de su trabajo son: 67 Graham, J; Crooks, J; Bell, A; Time effects on the stress-strain behaviour of natural soft clays; Géotechnique; Vol. 33; No. 3; 1983; pp. 327-340. 68 Richardson, A; Whitman, R; Effect of strain-rate upon undrained shear resistance of a saturated remoulded fat clay; Géotechnique; Vol. 13; No. 4; 1963; pp. 310-324.


39

- En una gráfica semilogarítmica Su vs. log (έ) se encuentra que Su decrece

linealmente ante una disminución de log (έ) en un rango aproximado de 3 a 4 ordenes de magnitud.

- El efecto causado por έ se pierde cuando este alcanza valores pequeños cercanos a 0.001 % / h.

- En muestras reconstituidas se observa un incremento del efecto de έ con el OCR, mientras que en muestras naturales no existe dicho efecto.

- El efecto de έ sobre Su disminuye apreciablemente cuando la arcilla es objeto de grandes ε.

- El efecto de έ sobre Su es independiente de las características plásticas de la arcilla cuantificada a partir del índice plástico (IP).

En cuanto al comportamiento a compresión oedométrica las conclusiones más importantes de su trabajo son:

- Ratifica las observaciones de Bjerrum y Šuklje en cuanto a que σ’p depende del tiempo y de έ.

- Ratifica las observaciones de Mesri & Godlewski y Mesri & Choi en cuanto a que las curvas e vs. log (σ’/σ’0) para varias duraciones de los escalones de carga son paralelas en el rango normalmente consolidado, explicándolo como un efecto dado por el endurecimiento al que son sometidas las muestras gracias a la mayor duración de la carga.

- Postula que sin importar la relación de incremento de carga (∆p/p, LIR, por sus siglas en inglés) Cc es constante para esfuerzos en el rango normalmente consolidado, pero que para el caso de Cs este aumenta proporcionalmente al LIR.

- En cuanto a la relación Ivα se observa que es independiente del LIR y del tiempo de carga, pero que este es mayor cerca del σ’p.

- El efecto causado por έ en σ’p es independiente de las condiciones del ensayo (incrementos de carga, CRS o creep).

- El efecto de έ sobre σ’p es independiente de las características plásticas de la arcilla cuantificada a partir del índice plástico (IP).

- El efecto de έ sobre σ’p disminuye apreciablemente cuando la arcilla es objeto de grandes ε.

Uniendo las conclusiones obtenidas separadamente para cada uno de los fenómenos, los autores concluyen finalmente que el efecto de έ sobre el comportamiento mecánico de la arcilla actúa de manera importante sobre la envolvente de falla en el espacio p-q (p = (σ’1+2σ’3)/3 y q=σ’1-σ’3), haciendo que esta se contraiga a medida que el έ disminuya en la misma proporción (Figura 3.12).


40

Figura 3.12. Contracción de la envolvente de falla en el espacio p-q por efecto de έ.

Dos años más tarde en 1985 Leroueil, Kabbaj, Tavenas & Bouchard69, realizan nuevamente una serie de ensayos sobre arcillas del oriente canadiense, entre los que hay CRS e incremento escalonado de cargas con creep, de tal manera que se puede llegar a una conclusión sobre la influencia de la velocidad del esfuerzo efectivo ,σ& en el comportamiento mecánico de la arcilla. Dado que en los ensayos CRS la velocidad de deformación έ es constante positiva (compresión), se presenta una aumento en los σ’ con una ,σ& positiva no determinada, mientras que en los ensayos de creep no existe un aumento en σ’ por lo cual 0, =σ& . Teniendo lo anterior en cuenta, los autores recrearon basándose en los ensayos de creep las curvas e vs. log (σ’/σ’0), donde se había monitoreado minuciosamente la evolución de las deformaciones en el tiempo y por lo tanto obtenido la έ para distintos valores de carga en los que se había efectuado el creep. Las curvas reconstruidas a partir del creep fueron comparadas con aquellas obtenidas mediante CRS para distintas έ, encontrando que la diferencia no era considerable, tras lo cual concluye que la influencia de ,σ& en el comportamiento mecánico de la arcilla es nulo, es decir que el modelo reológico que domina dicho comportamiento es una función de σ’, ε y έ. Los autores hacen énfasis en la relación directamente proporcional entre σ’p y έ de manera similar a la que habían hecho con anterioridad Šuklje y Graham, Crooks & Bell, concluyendo que esta se encuentra relacionada con la capacidad de un suelo arcilloso para entrar en fase de creep. En los últimos años la Universidad de Tokio ha tomado la vocería en el tema, realizando un sin numero de investigaciones al respecto, sobre diferentes especimenes de arcilla de origen marino llegando a conclusiones interesantes. El primero resultado de estas fue presentado en el 2002 por Li, Tatsuoka, Nishi &

69 Leroueil, S; Kabbaj, M; Tavenas, F; Bouchard, R; Stress-strain-strain rate relation for the compressibility of sensitive natural clays; Géotechnique; Vol. 35; No. 2; 1985; pp 159-180.


41

Komoto70 evaluando el comportamiento viscoso relacionado con creep en la rama de descarga. En sus observaciones se percataron de que una vez llevado el suelo arcilloso a un estado normalmente consolidado y posteriormente sometido a una descarga, existían varias condiciones de creep posibles a lo largo de dicho tramo (Figura 3.13):

- La arcilla es capaz de exhibir creep positivo (έ>0 compresión) en un estado de esfuerzos determinado dado por una pequeña descarga.

- Si se continua la descarga se llega a un estado de esfuerzos determinado en el que la permanencia de una carga en el tiempo no produce deformaciones permanentes, es decir el creep es nulo (έ=0); dicho estado recibió el nombre de estado neutro (Neutral state).

- Después de ser sometida a una descarga prolongada mas allá del estado neutro, la arcilla exhibe una fase de rebote elastico (έ<0 extensión).

Figura 3.13. Comportamiento de un suelo arcilloso en descarga ante fases de creep,

según Li, Tatsuoka, Nishi & Komoto. Más tarde en el 2003 Acosta-Martinez, Tatsuoka & Li71, realizan consideraciones importantes acerca del comportamiento de isotacas previamente explicado, indicando que el salto en los esfuerzos efectivos ∆σ’ causado por el aumento o disminución de la rata de deformación, es proporcional al σ’ en el cual se realizó dicho cambio (Figura 3.14).

70 Li, J; Tatsuoka, F; Nishi, T; Komoto, N; Viscous stress-strain behaviour of clay under unloaded conditions; Proc. 3rd. Int. Sym. on Deformation Characteristics of Geomaterials, IS Lyon 03; 2002. 71 Acosta-Martinez, H; Tatsuoka, F; Li, J; Viscosity in one dimensional deformation of clay and considerations for its modelling; Proc. 38th. Japan Nat. Conf. on Geot. Eng.; Akita; 2003.


42

Figura 3.14. Proporcionalidad observada entre ∆σ’ y σ’ ante una cambio en έ,

según Acosta-Martinez, Tatsuoka & Li72. En la Figura 3.14 se observa entonces la proporcionalidad implícita entre ∆σ’ y σ’ para una relación dada entre la velocidad de deformación final y la velocidad de deformación inicial, donde dicha relación juega un papel importante con respecto al ∆σ’, toda vez que ante un incremento en las velocidades donde dicho valor sea superiormente mayor a uno, el ∆σ’ será mucho mayor que para un valor en el que la relación de las velocidades sea cercano a la unidad; de manera similar ante un decremento en las velocidades donde dicho valor sea cercano a cero, el ∆σ’ será mucho mayor que para un valor en el que la relación de las velocidades sea cercano a la unidad. Además de lo anterior, los autores observaron que al graficar los datos obtenidos en sus ensayos CRS en el espacio semilogarítmico ∆σ’/σ’ vs. log (έfin/ έin) existe una tendencia lineal a cuya pendiente denominaron β que cruza el eje de las abscisas en 1 (Figura 3.15), tras lo cual proponen la Ecuación 3.13 de origen empírico para modelar el efecto viscoso de la arcilla causado por un cambio en la velocidad de deformación.

72 Adaptada de Acosta-Martinez, H; Tatsuoka, F; Li, J; Ibíd.; 2003.


43

Figura 3.15. Tendencia lineal de efecto viscoso en arcillas causado por cambio en έ, visto en el espacio ∆σ’/σ’ vs. log (έfin/ έin), según Acosta-Martinez, Tatsuoka & Li73

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

∆.

.,

,

login

finε

εβσσ

&&

(3.13)

Con respecto al β propuesto los autores hacen dos precisiones importantes: i) dicha pendiente se ve inversamente influenciada por la rigidez del suelo, causando por lo tanto que el valor sea superior para suelos blandos e inferior para suelos duros; y ii) la pendiente β presenta un valor superior en la etapa de recarga que en la etapa normalmente consolidada, proponiendo como explicación que el posible daño al que es sometido la estructura a dichas magnitudes de deformación incrementa el efecto viscoso que ostenta έ sobre el suelo. También en ese año los mismos autores en otro artículo74, discuten los experimentos realizados paralelamente en muestras inalteradas y en muestras de la misma arcilla tras un proceso de pulverización y secado. Los resultados obtenidos muestran un comportamiento de isotacas en el suelo pulverizado seco idéntico a los obtenidos en muestras saturadas y tras comparar las pendientes β obtenidas en la gráfica de ∆σ’/σ’ vs. log (έfin/ έin), encuentran que no existe diferencia significativa entre las mismas, lo que los lleva a concluir que el comportamiento mecánico viscoso de los suelos arcillosos no se debe únicamente al retardo - asociado con su baja permeabilidad – en la disipación de ∆u, sino también a las características viscosas inherentes al propio material. 73 Adaptada de Acosta-Martinez, H; Tatsuoka, F; Li, J; Ibíd.; 2003. 74 Li, J; Acosta-Martinez, H; Tatsuoka, F; One-dimensional compression tests to evaluate the viscous property of clay; Proc. 38th. Japan Nat. Conf. on Geot. Eng.; Akita; 2003.


44

CAPITULO 4 ENSAYOS DE LABORATORIO

Para observar el comportamiento mecánico viscoso de suelos arcillosos, se realizaron tres tipos de ensayos: Compresión oedométrica por escalones de carga hasta la finalización de la consolidación primaria (MSLp, por sus siglas en inglés), compresión oedométrica por escalones de carga con fase de creep (MSLcr, por sus siglas en ingles) y compresión oedométrica con velocidad de deformación controlada (CRS, por sus siglas en ingles), para cada uno de los tres tipos de arcillas analizados. La totalidad de los ensayos aquí expuestos se llevaron a cabo en los laboratorios del CITEC. 41. PROCEDIMIENTO Y EQUIPOS UTILIZADOS 4.1.1. ENSAYOS MSLp Los ensayos MSLp pertenecen al tipo carga controlada, donde se aplica una carga cuya magnitud es conocida y se mide mediante un deformimetro los desplazamientos asociados a la deformación producto de la aplicación de dicha carga. Dichos ensayos fueron realizados a manera de caracterización para cada una de las arcillas, en aparatos de carga oedométricos de anillo fijo Clock House (Arcilla CITEC) y Soiltest (Arcillas Fontibón Amarilla y Negra) mediante escalones de carga con proporción de incremento de carga unitaria (Load Increment Ratio, LIR, por sus siglas en ingles), siguiendo las especificaciones dadas por la norma ASTM D 2435-70. Una vez era registrada la totalidad de los datos geométricos y peso de los anillos de consolidación, las muestras fueron talladas hasta un diámetro algo superior al del anillo y posteriormente este fue hincado para garantizar que la totalidad del volumen fuera ocupado por el suelo. Finalmente cuando el suelo ya se encontraba perfecta y homogéneamente colocado dentro del anillo, se procedía a colocarle papel filtro debidamente humedecido para evitar la salida de finos, antes de montarlo en la cámara de consolidación que contaba con dos piedras porosas previamente saturadas para la parte superior e inferior (Figura 4.1).

Figura 4.1. a )Vista explotada y b) Vista superior de la cámara de consolidación con anillo fijo utilizada para los ensayos MSLp y MSLcr.

a) b)


45

Una vez montada la muestra con el anillo de consolidación en la cámara, se instaló este último en el aparato de carga (Figura 4.2), guardando cuidado en que ningún tipo de carga por más mínima que fuera actuara sobre la muestra y se procedió a cuadrar el deformimetro de carátula en ceros. A continuación la cámara de consolidación era inundada para garantizar la saturación total del espécimen de arcilla, controlando la expansión del suelo en el tiempo, hasta que se observara -siguiendo el procedimiento de la raíz cuadrada del tiempo de Taylor75- una estabilización en a tendencia a expandirse, tras lo cual se iniciaba la secuencia de cargas y descargas (Tabla 4.1).

Figura 4.2. Instalación de la cámara de consolidación en el aparato de carga: a) Aparato Clock House y b) Aparato Soiltest.

Tabla 4.1. Secuencia de cargas y descarga para ensayos MSLp en Arcillas CITEC,

Fontibón Amarilla y Fontibón Negra.

Arcilla CITEC Arcilla

Fontibón Amarilla

Arcilla Fontibón

Negra Saturación Saturación Saturación

25 kPa 25 kPa 25 kPa 50 kPa 50 kPa 50 kPa 100 kPa 100 kPa 100 kPa 200 kPa 200 kPa 200 kPa 400 kPa 400 kPa 400 kPa 200 kPa 800 kPa 800 kPa 100 kPa 400 kPa 400 kPa 50 kPa 200 kPa 200 kPa 25 kPa 100 kPa 100 kPa 50 kPa 50 kPa 50 kPa 250 kPa 100 kPa 100 kPa 400 kPa 200 kPa 200 kPa 800 kPa 400 kPa 400 kPa 1600 kPa 800 kPa 800 kPa 800 kPa 1600 kPa 1600 kPa 400 kPa ------------ ------------ 200 kPa ------------ ------------ 100 kPa ------------ ------------ 200 kPa ------------ ------------ 400 kPa ------------ ------------ 800 kPa ------------ ------------

Secuencia de Cargas y

Descargas

1600 kPa ------------ ------------

75 Taylor, D; Op.cit.; 1948.

a) b)


46

La duración de cada escalón de la secuencia de cargas y descargas, se encuentra con un monitoreo de los asentamientos de la muestra de arcilla durante la consolidación primaria por el método de Taylor76, de tal manera que al alcanzarse el t98 (Figura 4.3) se proceda a aplicar el siguiente escalón respectivo, evitando así la existencia de consolidación secundaria. Dado lo anterior el tiempo de carga de cada escalón no se encuentra definido de antemano, sino que por el contrario es definido durante la marcha.

Taylor's Method

5,4

5,8

6,2

6,6

7

0,0000 5,0000 10,0000 15,0000

sqroot(t)

Figura 4.3. Ejemplo del monitoreo a la deformación de la arcilla durante la consolidación primaria siguiendo el método de la raíz cuadrada de Taylor.

Al concluirse la secuencia de carga la cámara de consolidación es separada del aparato de carga y a su vez el anillo de consolidación es retirado, para proceder a pesarlo y sucesivamente colocarlo en secado al horno para finalmente hallar el peso seco del suelo. 4.1.2. ENSAYOS MSLcr El procedimiento para este tipo de ensayos es una variación del MSLp, donde se mantiene la utilización de un LIR unitario y el monitoreo de los asentamientos producidos durante la consolidación primaria. Sin embargo en este tipo de ensayos se permiten fases de creep (consolidación secundaria) o rebote elástico para ciertos valores de σ’ definidos (Tabla 4.2). 76 Taylor, D; Ibíd; 1948.

√t98

d98


47

Tabla 4.2. Secuencia de cargas y descarga para ensayos MSLcr en Arcillas CITEC, Fontibón Amarilla y Fontibón Negra.

Arcilla Citec Arcilla Fontibón Amarilla

Arcilla Fontibón Negra

Saturación Saturación Saturación 25 kPa 25 kPa 25 kPa 50 kPa 50 kPa 50 kPa 100 kPa 100 kPa 100 kPa 200 kPa 200 kPa 200 kPa 400 kPa 400 kPa 400 kPa

Creep (400 kPa) Creep (400 kPa) Creep (400 kPa) 800 kPa 800 kPa 800 kPa 400 kPa 400 kPa 400 kPa 200 kPa 200 kPa 200 kPa

Rebote elástico (200 kPa)



100 kPa 100 kPa 100 kPa 50 kPa 50 kPa 50 kPa 100 kPa 100 kPa 100 kPa 200 kPa 200 kPa 200 kPa

Creep (200 kPa) Creep (200 kPa) Creep (200 kPa) 400 kPa 400 kPa 400 kPa 800 kPa 800 kPa 800 kPa

Creep (800 kPa) Creep (800 kPa) Creep (800 kPa)

Secuencia de Cargas y

Descargas

1600 kPa 1600 kPa 1600 kPa

Para este ensayo la duración de cada escalón de la secuencia de cargas y descargas, se encuentra de la siguiente manera:

- Para aquellos valores de σ’ en los que se permiten deformaciones relacionadas únicamente con el proceso de consolidación primaria, se mantiene el monitoreo de los asentamientos de la muestra de arcilla durante dicho proceso hasta alcanzarse el t98 tras lo cual se aplica el siguiente escalón de carga, evitando así la existencia de creep.

- Para aquellos valores de σ’ en los que se permiten deformaciones

relacionadas tanto con el proceso de consolidación primaria como con los procesos de consolidación secundaria y rebote elástico, se realiza también el monitoreo de los asentamientos de la muestra de arcilla durante la consolidación primaria y una vez alcanzado el t98, se comienza a contar el tiempo relativo a las fases de creep o rebote elástico, permitiendo que el σ’ actuante sea mantenido para causar deformaciones plásticas (Figura 4.4). Para este caso en particular aunque las fases de creep o rebote elástico podría haber tenido un tiempo de aplicación definido, no fue posible por razones concernientes a los horarios de trabajo en los laboratorios del CITEC.


48

Taylor's Method

2,4

2,45

2,5

2,55

2,6

2,65

2,7

2,75

0 5 10 15 20 25 30 35 40

sqroot(t)

Ver

tical

def

orm

atio

n, (m

m)

Figura 4.4. Ejemplo del monitoreo a la deformación de la arcilla durante la consolidación primaria y posteriormente en la fase de creep siguiendo el método de la raíz cuadrada de Taylor.

La duración de las fases de creep o rebote elástico en determinados valores de σ’ para cada uno de los tipos de arcilla, se resume en la Tabla 4.3.

Tabla 4.3. Duración de fases de creep o rebote elástico para ensayos MSLcr.

Duración fases de creep (horas) Esfuerzo efectivo, σ' (kPa)

CITEC Fontibón Amarilla

Fontibón Negra

400 19,00 19,08 9,00 200 (rebote elástico descarga) 26,13 20,08 21,00

200(recarga) 19,50 22,33 21,25 800 24,75 23,83 17,42

4.1.3. ENSAYOS CRS Los ensayos de tasa de deformación controlada como bien lo indica su nombre pertenecen al tipo deformación controlada, donde el suelo es sometido a un valor dado de deformación en un tiempo fijo (έ=cte.) mientras se mide: i) la fuerza que el suelo ejerce como resistencia a dicho desplazamiento por medio de una celda de carga (Figura 4.5 a), ii) el desplazamiento al que es sometido el suelo como tal con la ayuda de un LDVT (Figura 4.5 b) y iii) el exceso de presión de poros producida por la aplicación de la carga, medida en la base de la muestra mediante un transductor de presión (Figura 4.5 c).

√t98

d98


49

Figura 4.5. Sensores utilizados en la realización de los ensayos CRS: a) Celda de carga, b) LVDT y c) transductor de presión.

Las señales de cada uno de los sensores mencionados, es recopilada por una tarjeta adquisición de datos que a su vez esta conectada a un PC dotado de software especialmente diseñado para almacenar y mostrar mediante graficas los datos en tiempo real (Figura 4.6).

Figura 4.6. Montaje del ensayo CRS. Para lograr que el ensayo fuera oedométrico, dada la ausencia de equipos en el laboratorio que lograran medir ∆u, fue necesario realizar el mismo en el interior de una cámara triaxial (Figura 4.7) donde la muestra era alojada en el interior de un tubo de acero de pared delgada (hotrolled de 2 in. de diámetro interno y 1 ¼ in de altura), alrededor del cual se colocaba la membrana de caucho que finalmente era sujetada mediante “O rings” al cabezal y al pedestal de la cámara de tal manera que no hubiera fugas que alteraran la medición de ∆u. En si la cámara triaxial no cumple las funciones propias para la cual es usada comúnmente, pues la presión de cámara siempre se mantuvo equivalente a la presión atmosférica, pero es usada para aprovechar su capacidad de medición de ∆u.

a) b) c)


50

Figura 4.7. Cámara triaxial utilizada para realizar el ensayo CRS. La cámara triaxial adaptada para realizar el ensayo CRS una vez debidamente instrumentada con los sensores previamente descritos, era colocada en el marco de carga Wykenhem-Farrance Tritech de 100 kN (Figura 4.6) que soporta velocidades de recorrido en el rango de 1x10-5 mm/min a 9 mm/min y se encendía a la velocidad de carga prevista para el inicio del ensayo de manera sincronizada con el sistema de adquisición de datos. El cambio de velocidades previsto a lo largo del ensayo se realizó de manera manual ajustando el dial ubicado en la parte frontal de la maquina, siguiendo el programa de cambio de velocidades de deformación presentado en la Tabla 4.4, donde aparece el valor de velocidad de deformación (έ) en unidades de %/min, con la cual de acuerdo a la altura de la muestra se calculaba la velocidad de recorrido.

Tabal 4.4. Programa de velocidades de deformación para ensayos CRS.

Esfuerzo Total, σ t

έ Isotaca Arcilla CITEC Arcilla Fontibón Amarilla

Arcilla Fontibón

Negra 0 kPa 0 kPa 0 kPa 0,2 %/min 25έ0 95 kPa 100 kPa 100 kPa

0,008 %/min έ0 300 kPa 300 kPa 400 kPa

0,0032 %/min 1/25 έ0 400 kPa 500 kPa 530 kPa

0,2 %/min 25έ0 1600 kPa 1600 kPa 1600 kPa

-0,2 %/min -25έ0 800 kPa 800 kPa 800 kPa

-0,008 %/min -έ0 200 kPa 200 kPa 200 kPa

-0,2 %/min -25έ0 100 kPa 100 kPa 100 kPa

0,2 %/min 25έ0 200 kPa 200 kPa 200 kPa

0,008 %/min έ0 800 kPa 800 kPa 800 kPa

0,2 %/min 25έ0 1818 kPa 2050 kPa 1970 kPa 0,008 %/min έ0 2100 kPa 2050 kPa

0,0032 %/min 1/25 έ0 2100 kPa


51

Como se puede observar en la tabla anterior, existe un orden definido de velocidades de deformación que fueron aplicadas a las diferentes muestras de suelo en determinados estados de esfuerzo, de acuerdo a la evolución del ensayo y al tiempo disponible para su realización. Con respecto a todos los aspectos concernientes a las mediciones para obtener las humedades iniciales y finales, se siguieron procedimientos similares a los observados para las pruebas MSLp y MSLcr. De igual manera se siguió de cerca, aunque no estrictamente la norma ASTM D 4186 que fija los parámetros para este tipo de ensayos.


52

4.2. RESULTADOS 4.2.1. ENSAYOS MSLp

4.2.1.1. ARCILLA CITEC El ensayo MSLp en arcilla CITEC arroja los valores consignados en la Tabla 4.5.

Tabla 4.5. Valores de σ'p, Cc y Cs hallados en el ensayo MSLp en arcilla CITEC.

σ'p (kPa) 72 CD 0,465 Cc FG 0,427 AB 0,075 DE 0,058 EF 0,071 GH 0,075

Cs

HI 0,083 Como resultado del procedimiento llevado a cabo en el laboratorio se obtiene la siguiente curva e vs. log (σ’/σ’0), donde el esfuerzo de referencia σ’0 es 10 (Figura 4.8).

Figura 4.8. Resultado del ensayo MSLp en arcilla CITEC.


53

4.2.1.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA El ensayo MSLp en arcilla Fontibón amarilla arroja los valores consignados en la Tabla 4.6.

Tabla 4.6. Valores de σ'p, Cc y Cs hallados en el ensayo MSLp en arcilla Fontibón amarilla.

σ'p (kPa) 130 CD 0,697 Cc FG 0,93 AB 0,1 DE 0,149 Cs EF 0,182

Como resultado del procedimiento llevado a cabo en el laboratorio se obtiene la siguiente curva e vs. log (σ’/σ’0), donde el esfuerzo de referencia σ’0 es 10 (Figura 4.9).

Figura 4.9. Resultado del ensayo MSLp en arcilla Fontibón amarilla.


54

4.2.1.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA El ensayo MSLp en arcilla Fontibón negra arroja los valores consignados en la Tabla 4.7.

Tabla 4.7. Valores de σ'p, Cc y Cs hallados en el ensayo MSLp en arcilla Fontibón negra.

σ'p (kPa) 300 CD 1,295 Cc FG 1,472 AB 0,076 DE 0,172 Cs EF 0,166


Figura 4.10. Resultado del ensayo MSLp en arcilla Fontibón negra.


55

4.2.1.3. RESUMEN MSLp En la Tabla 4.8 se reúne los valores hallados a partir de los ensayos MSLp para cada una de las arcillas expuestas anteriormente, de igual manera en la Figura 4.11 se evalúa comparativamente el comportamiento de todas estas en términos de ε vs. log (σ’/σ’0), con el fin de normalizar los asentamientos.

Tabla 4.8. Resumen de datos hallados mediante ensayos MSLp.

Figura 4.11. Comportamiento comparativo de arcillas en ensayos MSLp.

Cs Cc Arcilla σ’p (kPa) AB DE EF GH HI AB EF CITEC 72 0.075 0.058 0.071 0.075 0.083 0.465 0.427

Fontibón Amarilla 130 0.1 0.149 0.182 -------- ------- 0.697 0.930

Fontibón Negra 300 0.076 0.172 0.166 -------- ------- 1.295 1.472


56

4.2.2. ENSAYOS MSLcr 4.2.2.1. ARCILLA CITEC El ensayo MSLcr en arcilla CITEC arroja los valores de la Tabla 4.9 y Tabla 4.10.

Tabla 4.9. Valores de Cc y Cs hallados en el ensayo MSLcr en arcilla CITEC.

CD 0,256 EF 0,631 Cc MN 0,564 AB 0,033 FG 0,083 HI 0,133 IJ 0,05

Cs

JL 0,199

Tabla 4.10. Valores de ∆ e, Cα e Ivα hallados en el ensayo MSLcr para fases de creep y rebote elástico en arcilla CITEC.

Esfuerzo efectivo, σ' (kPa) tiempo (horas) ∆e Cα Ivα

400 (DE) 19 0,02226569 0, 01515 0.0240 200 (rebote elástico GH) 26,13 -0,00516662 ---------- ----------

200 (JK) 19,5 0,02644819 0,01786 0.0897 800 (LM) 24,75 0,02976959 0.02136 0.0379


Figura 4.12. Resultado del ensayo MSLcr en arcilla CITEC.


57

4.2.2.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA El ensayo MSLcr en arcilla Fontibón amarilla arroja los valores de la Tabla 4.11 y Tabla 4.12.

Tabla 4.11. Valores de Cc y Cs hallados en el ensayo MSLcr en arcilla Fontibón amarilla.


Cs

KL 0,266

Tabla 4.12. Valores de ∆ e, Cα e Ivα hallados en el ensayo MSLcr para fases de creep y rebote elástico en arcilla Fontibón amarilla .


400 (DE) 19,08 0,03770478 0,02562 0.0389 200 (rebote elástico GH) 20,08 -0,00517517 ---------- ----------

200(JK) 22,33 0,03068134 0,01680 0.0631 800 (LM) 23,83 0,03844409 0,02456 0.0321


Figura 4.13. Resultado del ensayo MSLcr en arcilla Fontibón amarilla.


58

4.2.2.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA El ensayo MSLcr en arcilla Fontibón negra arroja los valores de la Tabla 4.13 y Tabla 4.14.

Tabla 4.13. Valores de Cc y Cs hallados en el ensayo MSLcr en arcilla Fontibón negra.


Cs

KL 0,597

Tabla 4.14. Valores de ∆ e, Cα e Ivα hallados en el ensayo MSLcr para fases de creep y rebote elástico en arcilla Fontibón negra.


400 (DE) 9,00 0,12290951 0,07392 0.071 200 (rebote elástico GH) 21,00 -0,01214803 ---------- ----------

200 (JK) 21,25 0,05145049 0,04520 0.075 800 (LM) 17,42 0,06359853 0,07253 0.064


Figura 4.14. Resultado del ensayo MSLcr en arcilla Fontibón negra.


59

4.2.2.4. RESUMEN DE ENSAYOS MSLcr

En las Tablas 4.15 y 4.16 se reúne los valores hallados a partir de los ensayos MSLp para cada una de las arcillas expuestas anteriormente, de igual manera en la Figura 4.15 se evalúa comparativamente el comportamiento de todas estas en términos de ε vs. log (σ’/σ’0), con el fin de normalizar los asentamientos.

Tabla 4.15. Resumen de valores de Cc y Cs hallados mediante ensayos MSLcr.

Arcilla CITEC Fontibón

Amarilla Fontibón

Negra CD 0,256 0,631 0,830 EF 0,631 0,658 1,029 Cc MN 0,564 0,764 1,129 AB 0,033 0,031 0,050 FG 0,083 0,116 0,133 HI 0,133 0,166 0,249 IJ 0,050 0,066 0,099

Cs

KL 0,199 0,266 0,597

Tabla 4.16. Resumen de valores de Cα e Ivα hallados en el ensayo MSLcr para cada fase de creep

Cα Ivα

Esfuerzo efectivo, σ' (kPa) CITEC Fontibón Amarilla

Fontibón Negra CITEC Fontibón

Amarilla Fontibón

Negra 400 (DE) 0,0151 0,0256 0,0739 0.0240 0.0389 0.071 200 (JK) 0,0179 0,0168 0,0452 0.0897 0.0631 0.075 800 (LM) 0,0214 0,0246 0,0725 0.0379 0.0321 0.064


60

Figura 4.15. Comportamiento comparativo de arcillas en ensayos MSLcr. 4.2.3. ENSAYOS CRS 4.2.3.1. ARCILLA CITEC El ensayo CRS en arcilla CITEC arrojo los valores de la Tabla 4.17.

Tabla 4.17. Valores de Cc y Cs hallados en el ensayo CRS para diferentes έ en arcilla CITEC.

έ (%/min) AB 0,02 0,038 CD 0,008 0,248 HI 0,02 0,146 IJ 0,008 0,114 JK 0,02 0,035 KL 0,02 0,003 LM 0,008 0,102

Cs

MH 0,02 0,343 EF 0,0032 0,98 GH 0,02 1,547 MN 0,02 1,487 Cc

OP 0,008 1,539 Como resultado del procedimiento llevado a cabo en el laboratorio se obtiene la siguiente curva e vs. log (σ’/σ’0), donde el esfuerzo de referencia σ’0 es 10 (Figura 4.16¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).


61

Figura 4.16. Resultado del ensayo CRS en arcilla CITEC. 4.2.3.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA El ensayo CRS en arcilla Fontibón Amarilla arrojo los valores de la Tabla 4.18 .

Tabla 4.18. Valores de Cc y Cs hallados en el ensayo CRS para diferentes έ en arcilla Fontibón Amarilla.

έ (%/min)

AB 0,02 0,062 CD 0,008 0,115 HI 0,02 0,103 IJ 0,008 0,026 JK 0,02 0,025 KL 0,02 0,074 LM 0,008 0,291

Cs

MH 0,02 0,553 EF 0,0032 0,649 GH 0,02 0,783 MN 0,02 1,127 OP 0,008 1,079

Cc

QR 0,0032 1,133 Como resultado del procedimiento llevado a cabo en el laboratorio se obtiene la siguiente curva e vs. log (σ’/σ’0), donde el esfuerzo de referencia σ’0 es 10 (Figura 4.17¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).


62

Figura 4.17. Resultado del ensayo CRS en arcilla Fontibón Amarilla. 4.2.3.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA El ensayo CRS en arcilla Fontibón negra arrojo los valores de la Tabla 4.19. Tabla 4.19. Valores de Cc y Cs hallados en el ensayo CRS para diferentes έ en arcilla Fontibón Negra.

έ (%/min) AB 0,02 0,063 CD 0,008 0,141 HI 0,02 -0,144 IJ 0,008 0,022 JK 0,02 0,008 KL 0,02 -0,035 LM 0,008 -0,016

Cs

MH 0,02 0,042 CD 0,0032 0,867 EF 0,02 1,74 GH 0,02 1,192

Cc

MN 0,008 0,877 Como resultado del procedimiento llevado a cabo en el laboratorio se obtiene la siguiente curva e vs. log (σ’/σ’0), donde el esfuerzo de referencia σ’0 es 10 (Figura 4.18¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).


63

Figura 4.18. Resultado del ensayo CRS en arcilla Fontibón Negra.

4.2.3.4. RESUMEN DE ENSAYOS CRS En las Tabla 4.20 se reúne los valores hallados a partir de los ensayos CRS para cada una de las arcillas expuestas anteriormente, de igual manera en la Figura 4.19 (donde el valor de έ es absoluto, es decir aplica tanto para compresión como para expansión) se evalúa comparativamente el comportamiento de todas estas en términos de ε vs. log (σ’/σ’0), con el fin de normalizar los asentamientos.

Tabla 4.20. Consolidado de valores Cc y Cs hallados en el ensayo CRS para diferentes έ.

έ (%/min) Arcilla CITEC Arcilla Fontibón Amarilla

Arcilla Fontibón Negra

AB 0,02 0,038 0,062 0,063 CD 0,008 0,248 ---------- 0,141 HI 0,02 0,146 0,115 -0,144 IJ 0,008 0,114 0,103 0,022 JK 0,02 0,035 0,026 0,008 KL 0,02 0,003 0,025 -0,035 LM 0,008 0,102 0,074 -0,016

Cs

MH 0,02 0,343 0,291 0,042 CD 0,008 ---------- 0,553 0,867 EF 0,0032 0,980 0,649 1,740 GH 0,02 1,547 0,783 1,192 MN 0,02 1,487 1,127 0,877

Cc

OP 0,008 1,539 1,079 ----------


64

QR 0,0032 ---------- 1,133 ----------

Figura 4.19. Comportamiento comparativo de arcillas en ensayos CRS.

CAPITULO 5 ANALISIS DE RESULTADOS: INCIDENCIA DEL CREEP Y DE LA VELOCIDAD

DE DEFORMACIÓN EN EL OCR DE LAS ARCILLAS

5.1. ANALISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS MSLp

Los ensayos MSLp realizados a modo de caracterización de las arcillas consideradas para efectos de este trabajo, concuerdan en su mayoría con las observaciones hechas con base en la historia geológica de los sitios de extracción de cada una de las muestras:

- Arcilla CITEC: Arroja un σ’p =72 kPa que en comparación con el σ’ =74 kPa aproximado correspondiente a una profundidad de 4.5 m de donde fue extraída la muestra (ver Tablas 4.5 y 1.2), indica que el suelo se encuentra en un estado normalmente consolidado. Para este caso en particular lo reportado en el documento de microzonificación sísmica para Bogotá D.C., no concuerdan con lo observado en el laboratorio.

- Arcilla Fontibón Amarilla: Arroja un σ’p=130 kPa que en comparación con el

σ’=45 kPa aproximado correspondiente a una profundidad de 3 m de donde fue extraída la muestra (ver Tablas 4.6 y 1.2), indica que el suelo se encuentra en un estado sobreconsolidado. Lo reportado en el documento de microzonificación sísmica para Bogotá D.C. y la experiencia previa


65

derivada de la cercana construcción de la segunda pista del Aeropuerto El Dorado (1.3 km) de la misma ciudad, donde se observó la existencia de una costra de desecación de grosor variable promedio de 8 m, concuerdan con lo observado en el laboratorio.

- Arcilla Fontibón Negra: Arroja un σ’p=300 kPa que en comparación con el

σ’=73 kPa aproximado correspondiente a una profundidad de 5 m de donde fue extraída la muestra (ver Tablas 4.7 y 1.2), indica que el suelo se encuentra en un estado altamente sobreconsolidado. Las observaciones concuerdan con aquellas hechas para la arcilla Fontibón amarilla.

Los valores de σ’p reportados fueron hallados por el método de Casagrande77 y corresponden a las velocidades promedio expuestas en la Tabla 5.1. Dichos valores promedio de έ, son apreciablemente inferiores al valor típico de 1.7E-2 %/min propuesto por Crawford78 para ensayos oedometricos rutinarios.

Tabla 5.1 Valores de σ’p encontrados en los ensayos MSLp con su respectiva έ promedio

Arcilla σ’p (kPa) έ (%/min) CITEC 72 2.68E-4

Fontibón Amarilla 130 7.65E-4 Fontibón Negra 300 1.03E-3

Comparativamente las particularidades que se observaron en las curvas e vs. log (σ’/σ’0) para cada una de las arcillas son:

- Arcilla CITEC: Los valores promedio son: Cc=0.446 y Cs=0.076, siendo estos los mas bajos entre las arcillas ensayadas (ver Tabla 4.5).

- Arcilla Fontibón Amarilla: Los valores promedio son: Cc=0.813 y Cs=0.165,

siendo intermedios con respecto a las otras arcillas ensayadas (ver Tabla 4.6).

- Arcilla Fontibón Negra: Los valores promedio son: Cc=1.383 y Cs=0.169,

siendo estos los más altos de las arcillas ensayadas (ver Tabla 4.7). Los valores calculados para la arcilla CITEC, coinciden con los recopilados en la literatura de acuerdo a su clasificación por límites de Atterberg y origen. Por el contrario para las arcillas de Fontibón clasificadas como MH – OH de origen lacustre, se reportan valores superiores de Cc e inferiores de Cs; lo anterior puede 77 Casagrande, A; The determination of the preconsolidation load and its practical significance; Discussion D-34; Proc. 1st. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Cambridge; Vol. 3; 1936; pp 60-64. 78 Crawford, C; Op. cit.;1964.


66

deberse tanto al contenido de materia orgánica observado en estas como a su procedencia de una costra de desecación. 5.2. ANALISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS MSLcr Comparando los resultados obtenidos en los ensayos MSLcr, se observa como característica relevante que todas las fases de creep realizadas en la etapa de descarga (puntos GH) fueron objeto de έ<0 (extensión), lo cual indica claramente que no existió una fase de creep como tal sino un rebote plástico de la arcilla (ver Tabla 4.16). De acuerdo a lo observado por Li, Tatsuoka, Nishi & Komoto79, esto sugiere que el valor de σ’ = 200 kPa es inferior a aquel en el que se presenta el estado neutro (έ=0). Con respecto a las particularidades observadas para cada uno de las curvas e vs. log (σ’/σ’0) de las arcillas sujetas a ensayos MSLcr, puede resaltarse lo siguiente:

- Arcilla CITEC: Al igual que para los ensayos MSLp los valores de Cc y Cs son los más bajos de las arcillas ensayadas. Para esta arcilla a diferencia de las otras dos analizadas, el valor de Cc es superior a aquel obtenido en el ensayo MSLp, con un valor promedió de Cc = 0.597(ver Tabla 4.9).

- Arcilla Fontibón Amarilla: Al igual que para los ensayos MSLp los valores de Cc y Cs son intermedios con respecto a las otras arcillas analizadas. Con respecto al valor de Cc hallado en este ensayo a comparación del encontrado en el ensayo MSLp, se observa que el de este ensayo es inferior, con un valor promedió de Cc = 0.711 (ver Tabla 4.11).

- Arcilla Fontibón Negra: Al igual que para los ensayos MSLp los valores de

Cc y Cs son los más altos de las arcillas analizadas. Con respecto al valor de Cc hallado en este ensayo a comparación del encontrado en el ensayo MSLp, se observa que el de este ensayo es inferior, con un valor promedio de Cc = 1.079 (ver Tabla 4.13).

La realización de un análisis comparativo entre los valores de Cs hallado en los ensayos MSLp con respecto a los encontrados en este ensayo, no es posible debido a la presencia de histéresis y a los saltos producidos en las curvas por las fases de creep o rebote elástico. Por otro lado el análisis acerca de los valores encontrados para la variable Cα arroja los siguientes rasgos (ver Tabla 4.16):

- Con excepción de la arcilla CITEC el valor más alto de Cα se presenta en la primera fase de creep (puntos DE).

79 Li, J; Tatsuoka, F; Nishi, T; Komoto, N; Op. cit.; 2002.


67

- Con excepción de la arcilla CITEC el valor más bajo de Cα se presenta en la tercera fase de creep (puntos JK).

- Los valores más altos de Cα producto de fases de creep en las ramas

vírgenes (puntos DE y LM) se presentaron en la arcilla Fontibón negra con un valor promedio de Cα = 0.0739, seguidos por la arcilla Fontibón amarilla con un valor promedio de Cα = 0.0256 y los más bajos fueron observados en la arcilla CITEC con un valor promedio de Cα = 0.0214.

- Los valores de Cα más altos en la etapa de recarga (puntos JK) se

presentaron en la arcilla Fontibón negra con un valor de Cα = 0.0452, seguidos por la arcilla CITEC con un valor de Cα = 0.0179 y los más bajos fueron observados en la arcilla Fontibón amarilla con un valor de Cα = 0.0168.

Las variaciones registradas en el valor de Cα a lo largo de cada ensayo, se ajustan a aquellas observadas por Mesri & Godlewski80 en el sentido que el valor que dicha variable toma cerca del σ’p (ramas vírgenes) es mas alto que aquellos a σ’ inferiores (etapa de recarga). Finalmente analizando los valores calculados de Ivα se observan las siguientes características particulares (ver Tabla 4.16):

- Comparativamente los valores de Ivα más altos se presentaron en la arcilla Fontibón negra, seguido por los de la Fontibón negra y por ultimo con los más bajos la arcilla CITEC.

- Se observan valores por fuera del rango usual propuesto por Mesri &

Godlewski81 de 0.025 a 0.1, tanto en la primera fase de creep de la arcilla CITEC (puntos DE) como en la segunda fase de creep de la arcilla Fontibón amarilla (puntos GH).

5.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS CRS La totalidad de los ensayos CRS mostraron un comportamiento dependiente de έ tal como lo observo Šuklje82. Del análisis de los resultados se puede concluir que en el rango normalmente consolidado (puntos GH y NR dependiendo del caso) los saltos respectivos ante un cambio de έ son llevados a cabo de acuerdo a lo presupuestado: ante un aumento en έ la curva e vs. log (σ’/σ’0) se mueve hacia valores superiores de σ’ y ante un decremento en έ la misma curva se desplaza hacia valores inferiores de σ’.

80 Mesri, G; Godlewski, P; Op.cit; 1977. 81 Mesri, G; Godlewski, P; Op. cit.; 1977. 82 Šuklje, L; Op.cit.; 1957.


68

Las mediciones de ∆u arrojaron como resultado que los ensayos CRS fueron realizadas bajo condiciones drenadas, ya que el resultado de estas indica que ∆u fue inferior al 4% del σt aplicado durante gran parte de los ensayos. Porcentajes un poco superiores a este se observan en las arcillas del CITEC y en la arcilla Fontibón amarilla, durante algunos breves lapsos del mismo (Figura 5.1).

Figura 5.1. Comportamiento de ∆u como porcentaje de σt para los ensayos CRS.

En cuanto a las particularidades observadas para cada uno de las curvas e vs. log (σ’/σ’0) de las arcillas sujetas a ensayos CRS, debe resaltarse el caso de la arcilla Fontibón negra (Figura 4.18), para la que se presenta un extraño comportamiento en las ramas de descarga (puntos HK) y recarga (puntos KN): en la primera mientras se reduce σ’ también disminuye e, es decir, ante una descarga la muestra se comprime, y en la segunda mientras se incrementa σ’ también aumenta e, es decir, ante una carga la muestra se expande. Dicho error solo puede ser originado a partir de un error de medición en el LVDT, toda vez que ∆u se mantuvo en valores muy bajos y la celda de carga funciona a partir de relacionar la deformación a la que la misma es sometida. Debido a lo anterior para efectos de este trabajo solo se harán consideraciones a partir de las etapas de carga (puntos AH), omitiendo tanto la rama de descarga (puntos HK) como la de recomprensión (puntos KN). 5.4. COMPORTAMIENTO DEPENDIENTE DE έ EN ENSAYOS CRS Basándose en el comportamiento dependiente de έ observado en todas las arcillas analizadas bajo ensayos CRS, se reprodujeron las isotacas a partir de las trayectorias halladas en los resultados de dichos ensayos (Figuras 5.2, 5.3 y 5.4).


69

Figura 5.2. Comportamiento de isotacas para ensayo CRS en arcilla CITEC.

Figura 5.3. Comportamiento de isotacas para ensayo CRS en arcilla Fontibón amarilla.


70

Figura 5.4. Comportamiento de isotacas para ensayo CRS en arcilla Fontibón negra. Todas las isotacas realizadas comparten un origen común dado por las condiciones iniciales de los ensayos (σ’=0 y ε=0) y a partir de dicho punto fueron trazadas siguiendo las trayectorias de έ constante definidas por los ensayos hasta alcanzar los valores finales de ε. Con base en los trazos anteriores se observa que las isotacas son paralelas a partir de una ε=0.1% (Figuras 5.2, 5.3 y 5.4) 5.5. INFLUENCIA DE έ EN EL OCR Para observar el efecto que έ ejerce sobre el parámetro OCR, se hallan con base en las Figuras 5.2, 5.3 y 5.4 los valores de σ’ correspondientes a cada una de las isotacas 25έ0, έ0 y 1/25έ0, para valores de deformación 0.15%, 0.25% y 0.35% respectivamente (ver procedimiento en Figura 5.5). A partir de estos valores se procede a calcular el OCR con respecto al estado de esfuerzos producido para una deformación dada conferida a una tasa de deformación constante έ0 (OCR

0ε& ), tal como lo define la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. donde

,0εσ & es el esfuerzo observado a dicha deformación para la isotaca έ0 de referencia

y ,εσ & el esfuerzo observado a dicha deformación para una isotaca cualquiera έ bajo

la acción de la cual el suelo esta siendo deformado en ese instante en particular (Tabla 5.2).


71

Figura 5.5. Procedimiento para determinar σ’ correspondientes a cada una de las isotacas 25έ0, έ0 y 1/25έ0 para valores de deformación 0.15%, 0.25% y 0.35%

,

,0

0ε

εε σ

σ

&

&

& =OCR (5.1)

Tabla 5.2. Valores de σ’ correspondientes a cada una de las isotacas 25έ0, έ0 y 1/25έ0 para valores de deformación 0.15%, 0.25% y 0.35%.

CITEC Fontibón Amarilla Fontibón Negra ε

(%) έ

(%/min) σ'

(kPa) OCRέ0 έ/έ0 σ' (kPa) OCRέ0 έ/έ0 σ'

(kPa) OCRέ0 έ/έ0

1/25έ0 642,7 1,06 0,04 350,1 1,09 0,04 520,6 1,11 0,04 έ0 681,4 1,00 1,00 383,0 1,00 1,00 580,4 1,00 1,00 0,15

25έ0 744,7 0,91 25,00 430,7 0,89 25,00 619,6 0,94 25,00 1/25έ0 1000,0 1,09 0,04 930,0 1,11 0,04 1029,4 1,09 0,04 έ0 1088,4 1,00 1,00 1028,0 1,00 1,00 1123,0 1,00 1,00 0,25

25έ0 1167,3 0,93 25,00 11168 0,92 25,00 1190,1 0,94 25,00 1/25έ0 1638,3 1,07 0,04 1684,1 1,06 0,04 2310,9 1,09 0,04 έ0 1757,1 1,00 1,00 1792,1 1,00 1,00 2511,9 1,00 1,00 0,35

25έ0 1955,2 0,90 25,00 1967,2 0,91 25,00 2691,0 0,93 25,00

Basándose en los valores hallados anteriormente se procede a graficar la variación del OCR

0ε& en función de έ/έ0 en las Figuras 5.6, 5.7 y 5.8, notando una tendencia lineal en el espacio semilogaritmico OCR

0ε& vs. log (έ/έ0), cuya pendiente


72

negativa es denominada parámetro Θ. En la Tabla 5.3 se muestran los valores calculados del parámetro Θ relacionados con la ε a la que corresponden para cada uno de los tipos de arcilla.

Figura 5.6. Dependencia del OCR

0ε& con respecto a έ/έ0 para arcilla CITEC.


73


0ε& con respecto a έ/έ0 para arcilla Fontibón amarilla.


0ε& con respecto a έ/έ0 para arcilla Fontibón negra.

Tabla 5.3. Valores calculados de Θ para su correspondiente ε y tipo de arcilla.


74

Arcilla ε (%) CITEC Fontibón

Amarilla Fontibón

Negra

0,15 -0,0519 -0,0732 -0,0637 0,25 -0,0558 -0,0661 -0,0527 0,35 -0,0622 -0,0548 -0,0549

El hecho que exista una tendencia lineal en el espacio semilogaritmico OCR

0ε& vs. log (έ/έ0) con pendiente Θ e intercepto uno, nos lleva a plantear una ecuación del tipo:

1log0

0+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅Θ=

εε

ε &

&&OCR (5.2)

Un análisis de la Ecuación 5.2 permite observar que: i) para valores de έ/έ0 < 1 la expresión logarítmica arroja un valor negativo y por lo tanto el primer termino de la ecuación se convierte en positivo, dando como resultado valores de OCR

0ε& >1; ii) para valores de έ/έ0 = 1 la expresión logarítmica se anula junto con el primer termino de la ecuación, dando como resultado valores de OCR=1 y iii) para valores de έ/έ0 >1 la expresión logarítmica arroja un valor positivo y por lo tanto el primer termino de la ecuación permanece negativo, dando como resultado valores de OCR

0ε& < 1. Sobre este particular se profundizará más adelante. 5.6. CONCORDANCIA ENTRE EL PARAMETRO Θ E Ivα

Retomando la ecuación planteada en 1976 por Hans Jörg Leinenkugel83 (Ecuación 5.11) se puede apreciar la similitud existente entre esta y la Ecuación 5.2. Si se rescribe dicha ecuación de la siguiente manera observamos que se alcanza una expresión similar (Ecuación 5.3).

1log

log1

log1

0,

,

0,

,

0

,,

0

0

0

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅=

εε

σσ

εε

σσ

εεσσ

αε

εε

αε

ε

αεε

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&&

v

v

v

IOCR

I

I

r

(5.3)

Según la ecuación de Leinenkugel rescrita de tal manera que se alcance la definición del OCR

0ε& , el parámetro que previamente se había definido como Θ no es otra cosa distinta que el negativo de Ivα, es decir: Θ = - Ivα. 83 Leinenkugel, H; Op.cit.;1976.


75

Si se analizan los valores calculados del parámetro Θ a partir de la tendencia de cambio de OCR

0ε& con respecto a έ/έ0 registrados en la Tabla 5.3, se observa que dichos valores se encuentran contenidos en el rango -0.0519 a -0.0732. Lo anterior confirma la equivalencia anteriormente dada entre el parámetro Θ e Ivα, ya que de acuerdo a lo observado por Mesri & Godlewski84 el valor de esta ultima siempre se encuentra comprendida en el rango 0.025 a 0.1. Sin embargo, si se compara los valores del parámetro Θ calculados para los distintos valores de ε antes citados para un mismo tipo de arcilla, se encuentra (Figura 5.9):

- Existe una variación importante en los valores del parámetro Θ con respecto a los distintos valores de ε para los cuales fueron calculados, lo cual no coincide con lo expuesto por Mesri & Godlewski quienes aseguran que el valor de Ivα es único sin influencia alguna del tiempo, σ’ o e (y por lo tanto ε).

- Aunque en dos de las arcillas (Fontibón amarilla y negra) se nota un decremento de la influencia de έ a medida que se alcanzan ε importantes, el conjunto del comportamiento de los tres tipos de arcillas ensayadas no es concluyente para respaldar la afirmación realizada al respecto por Graham, Crooks & Bell85.

Figura 5.9. Comportamiento del parámetro Θ calculado partir de distintos valores

de ε para un mismo tipo de arcilla. 5.7. INFLUENCIA DEL CREEP EN EL OCR

84 Mesri, G; Godlewski, P; Op. cit.; 1977. 85 Graham, J; Crooks, J; Bell, A; Op. cit.; 1983.


76

Para analizar los resultados de los ensayos MSLcr, se trazan las trayectorias de έ constante basados en la tendencia mostrada por los mismos, de manera similar a la realizada para los ensayos CRS (Figuras 5.10, 5.11 y 5.12). Sin embargo, para este caso el calculo pretendido es distinto, ya que se desconoce el valor de έ que reproduce cada isotaca, pero gracias a que el Ivα fue calculado a partir de las mediciones hechas en laboratorio, nos es posible despejar de la ecuación anteriormente nombrada el cociente έ/έ0 (Ecuación 5.4), donde έ0 es escogida arbitrariamente como la isotaca de velocidad intermedia, de tal manera que aunque no conozcamos la magnitud de cada isotaca al menos sepamos la relación que estas poseen con respecto a una isotaca de referencia.

α

ε

εε vI

rOCR

−

+

=1

100

&

&

&(5.4)

Figura 5.10. Comportamiento de isotacas para ensayo MSLcr en arcilla CITEC.


77

Figura 5.11. Comportamiento de isotacas para ensayo MSLcr en arcilla Fontibón amarilla.

Figura 5.12. Comportamiento de isotacas para ensayo MSLcr en arcilla Fontibón negra.


78

De manera similar al procedimiento seguido previamente con los ensayos CRS, se hallan a partir de las Figuras 5.10, 5.11 y 5.12 los valores de σ’ correspondientes a cada una de las isotacas mέ0, έ0 y nέ0 (donde m y n son los números a hallar que determinan la relación con respecto a la isotaca έ0 de referencia que fue elegida arbitrariamente como la isotaca del centro) para ciertos valores de deformación que varían de acuerdo a la posición de las fases de creep dentro del espacio semilogaritmico curvas e vs. log (σ’/σ’0) (Tablas 5.4, 5.5 y 5.6) y se procede a calcular el OCR con respecto al estado de esfuerzos producido para una deformación dada conferida a una tasa de deformación constante έ0 (OCR

0ε& ), tal como lo define la Ecuación 5.1.

Tabla 5.4. Valores de σ’ correspondientes a isotacas mέ0, έ0 y nέ0 para valores de deformación 0.1% y

0.2%, con el correspondiente calculo del cociente έ/έ0 según Ecuación 5.4 para arcilla CITEC.

Arcilla CITEC ε

(%) έ

(%/min)σ'

(kPa) OCRέ0 έ/έ0

mέ0 326,10 1,26 1,07E-11 έ0 412,00 1,00 1,00 0,1

nέ0 466,70 0,88 76227,14 mέ0 1042,10 1,26 1,46E-07 έ0 1311,90 1,00 1,00 0,2

nέ0 1515,60 0,87 3535,78

Tabla 5.5. Valores de σ’ correspondientes a isotacas mέ0, έ0 y nέ0 para valores de deformación 0.15% y 0.25%, con el correspondiente calculo del cociente έ/έ0 según Ecuación 5.4 para arcilla Fontibón amarilla.

Arcilla Fontibón Amarillaε

(%) έ

(%/min)σ'

(kPa) OCRέ0 έ/έ0

mέ0 302,50 1,31 1,09E-08 έ0 396,30 1,00 1,00 0,15

nέ0 471,90 0,84 13014,18 mέ0 1078,70 1,43 4,76E-14 έ0 1540,70 1,00 1,00 0,25

nέ0 1803,30 0,85 33866,57 Tabla 5.6. Valores de σ’ correspondientes a isotacas mέ0, έ0 y nέ0 para valores de deformación 0.15% y 0.3%, con el correspondiente calculo del cociente έ/έ0 según Ecuación 5.4 para arcilla Fontibón negra.

Arcilla Fontibón Negra ε

(%) έ

(%/min)σ'

(kPa) OCRέ0 έ/έ0

mέ0 263,70 1,67 5,31E-10 έ0 439,40 1,00 1,00 0,15

nέ0 636,20 0,69 20237,71 mέ0 847,90 1,89 1,47E-14 έ0 1601,30 1,00 1,00 0,3

nέ0 2321,00 0,69 67108,02


79

Con base en los valores hallados anteriormente se procede a graficar la variación del OCR

0ε& en función de έ/έ0 en las Figuras 5.13, 5.14 y 5.15, donde la anterior modelación produce un comportamiento lineal en el espacio semilogaritmico OCR

0ε& vs. log (έ/έ0), con pendiente Ivα .

Figura 5.13. Modelación de la dependencia del OCR0ε& con respecto a έ/έ0 para

arcilla CITEC de acuerdo a Leinenkugel.


arcilla Fontibón amarilla de acuerdo a Leinenkugel.


80


arcilla Fontibón negra de acuerdo a Leinenkugel. Al comparar los valores del parámetro Ivα obtenido para distintos valores de ε se encuentra la misma variación irregular observada en lo ensayos CRS y un comportamiento conjunto que no permite respaldar la afirmación de que el efecto de έ en el comportamiento viscoso de las arcillas disminuye a medida que se alcanzan ε importantes (Figura 5.16).

Figura 5.16. Comportamiento del parámetro Ivα obtenido para distintos valores de ε calculado para un mismo tipo de arcilla.


81

5.8. CONCEPTO DE SUELOS SUBCONSOLIDADOS Y SOBRECONSOLIDADOS A LA LUZ DE LA DEFINICIÓN OCR

0ε& A diferencia de la definición típica de OCR dada previamente en el Capitulo 3 (Ecuación 3.4), en la que el valor de este era irrestrictamente igual o mayor a uno, la definición propuesta en este capítulo con respecto a una isotaca έ0 de referencia permite la ocurrencia de valores inferiores a la unidad. A la luz de lo anterior, se requiere la inclusión del nuevo término subconsolidado para describir uno de los posibles estados de los suelos arcillosos de acuerdo a dicha definición, en adición a los ya usados actualmente de normalmente consolidado y sobreconsolidado. De acuerdo a lo visto a lo largo de este capítulo, a continuación se hacen algunas consideraciones generales de los diferentes estados posibles según la definición del OCR

0ε& (Figura 5.17):

Figura 5.17. Síntesis de los posibles estados de un suelo de acuerdo a la definición del OCR

0ε& .

- Sobreconsolidado: Para un valor dado de e (y por lo tanto análogamente de

ε) el suelo se encuentra en un estado de esfuerzos inferior al que tendría si se desplazara sobre la isotaca έ0, causando que el cociente ,

0εσ & / ,εσ & sea

siempre superior a la unidad. El causante de ese estado de esfuerzos inferior bien pudo ser una previa disminución en έ o una previa fase de creep. Es importante resaltar, que un suelo sobreconsolidado con respecto a una velocidad de referencia έ0, se mantendrá en dicho estado a menos que el έ con el que es deformado aumente significativamente a magnitudes superiores a las de έ0. Por otro lado, es conveniente señalar que bajo a nueva definición OCR

0ε& , dicho suelo continuará siendo sobre consolidado aun cuando halla lugar a subsecuentes deformaciones asociadas a un aumento en el σ’, a menos que se cumpla la condición previamente expuesta; difiriendo así de la definición tradicional de OCR donde al sobrepasar el valor de σ’p el suelo pasaba de estado sobre consolidado a normalmente consolidado.


82

- Normalmente consolidado: El suelo actualmente se desplaza sobre la

isotaca έ0 y para cualquier valor dado de e (y por lo tanto análogamente de ε) el cociente ,

0εσ & / ,εσ & es siempre unitario. Es importante resaltar que un

suelo normalmente consolidado con respecto a una velocidad de referencia έ0, se mantendrá en dicho estado a menos que se produzca un cambio en έ o se de lugar a fases de creep. Para la nueva definición OCR

0ε& al igual que para la definición tradicional, dicho suelo continuará siendo normalmente consolidado, aun cuando halla lugar a subsecuentes deformaciones asociadas a un aumento en el σ’, a menos que se cumplan las condiciones previamente expuestas. Dado lo anterior, dependiendo del caso el suelo pasara bien sea a un estado sobreconsolidado o subconsolidado.

- Subconsolidado: Para un valor dado de e (y por lo tanto análogamente de ε)

el suelo se encuentra en un estado de esfuerzos superior al que tendría si se desplazara sobre la isotaca έ0, causando que el cociente ,

0εσ & / ,εσ & sea

siempre inferior a la unidad. El causante de ese estado de esfuerzos superior es un previo aumento en έ. Es importante resaltar, que un suelo subconsolidado con respecto a una velocidad de referencia έ0, se mantendrá en dicho estado a menos que el έ con el que es deformado disminuya significativamente a magnitudes inferiores a las de έ0 o se de lugar a fases de creep. Por otro lado, es conveniente señalar que bajo a nueva definición OCR

0ε& dicho suelo continuará siendo subconsolidado, aun cuando haya lugar a subsecuentes deformaciones asociadas a un aumento en el σ’. El aumento en έ causante del estado subconsolidado del suelo es de igual manera responsable de la existencia de un esfuerzo de preconsolidación aparente (σ’pa) similar al observado por Bjerrum86 en circunstancias diferentes (Figura 5.18).

Analizando por separado cada uno de los factores (cambio de έ y fases de creep) que causan los estados anteriormente descritos se alcanzan valiosas observaciones:

- Cambio de έ: Un suelo arcilloso que inicialmente es deformado bajo una velocidad de referencia έ0 (normalmente consolidado) y posteriormente es sujeto a cambios en dicha velocidad, puede dar lugar tanto a estados sobreconsolidados (disminución de έ) como a estados subconsolidados (aumento de έ) tal y como se aprecia en la Figura 5.18.

86 Bjerrum, L; Op.cit.; 1967.


83

Figura 5.18. Posibles estados de un suelo arcilloso debidos a un cambio en έ de acuerdo

con la definición del OCR0ε& .

- Fases de Creep: Un suelo arcilloso que inicialmente es deformado bajo una

velocidad de referencia έ0 (normalmente consolidado) y posteriormente presenta fases de creep, dar lugar única y exclusivamente a estados sobreconsolidados tal y como se aprecia en la Figura 5.19.

Figura 5.19. Posible estado de un suelo arcilloso debido a fase de creep de acuerdo con la definición del OCR

0ε& .

En adición a los fenómenos de creep y dependencia de έ, que causan un cambio en el comportamiento mecánico de suelos arcillosos descritos en este trabajo,


84

deben considerarse también los fenómeno de relajación (disminución de σ’ bajo e constante) e isotermas (curvas esfuerzo deformación a misma temperatura) que lastimosamente no pudieron ser tenidos en cuenta por ausencia de equipos de laboratorio que reprodujeran satisfactoriamente dichos fenómenos:

- Relajación: Un suelo arcilloso que inicialmente es deformado bajo una velocidad de referencia έ0 (normalmente consolidado) y posteriormente presenta fases de relajación, dar lugar única y exclusivamente a estados sobreconsolidados tal y como se aprecia en la Figura 5.20.

Figura 5.20. Posible estado de un suelo arcilloso debido a fase de relajación de acuerdo

con la definición del OCR0ε& .

- Isotermas: Un suelo arcilloso que inicialmente es deformado bajo una

temperatura t0 (normalmente consolidado) y posteriormente es sujeto de cambios en dicha temperatura, puede dar lugar tanto a estados sobreconsolidados (disminución de t) como a estados subconsolidados (aumento de t) de acuerdo a una posible definición de OCR 0t (Ecuación 5.5) tal y como se aprecia en la Figura 5.21.

t

ttOCR

''

0

0 σσ

= (5.5)

Donde 0

'tσ es el esfuerzo efectivo para la isoterma t0 en una deformación dada y t'σ es el esfuerzo efectivo para una isoterma cualquiera t bajo la acción de la cual el suelo esta siendo deformado en ese instante en particular.


85

Figura 5.21. Posible estado de un suelo arcilloso debido a fase de relajación de acuerdo con la definición del OCR 0t .

Para los ensayos llevados a cabo en este trabajo se supuso que la temperatura era constante a lo largo de la duración del mismo. Aunque esto no sea del todo verídico, se constituye en una aproximación aceptable dadas las condiciones estables de temperatura del laboratorio donde se llevaron a cabo los ensayos.


86

CONCLUSIONES

Tres tipos de arcillas de diferentes características (CITEC, Fontibón Amarilla y Fontibón Negra) fueron sometidos a ensayos MSLp, MSLcr y CRS, logrando observar una dependencia del comportamiento mecánico con respecto a la velocidad de deformación (έ) y el creep. i) ENSAYOS MSLp Los ensayos de compresión oedométrica por escalones de carga hasta la finalización de la consolidación primaria, fueron realizados a modo de caracterización. En estos se observaron estados normalmente consolidado, ligeramente sobreconsolidado y altamente sobreconsolidado, respectivamente para las arcillas CITEC, Fontibón Amarilla y Fontibón Negra en su estado original. En comparación con los valores registrados en la literatura, las dos ultimas arcillas exhiben altas relaciones de vacíos y altos valores de Cc y Cs, mientras los de la arcilla CITEC se ajustan a los rangos (Tabla 1.2 y 4.8) ii) ENSAYOS MSLcr Los ensayos de compresión oedométrica por escalones de carga con existencia de fases de creep y rebotes elásticos, fueron llevados a cabo permitiendo tres fases de creep y una de rebote elástico. Sus resultados muestran que la ocurrencia de una fase de creep en la rama virgen de la curva e vs. log (σ’/σ’0), viene asociada con un decremento en la tasa de deformación con la cual era deformado el suelo y consecuentemente con una variación en la isotaca por la cual el suelo se deforma (Figuras 5.10, 5.11 y 5.12). Tanto en la arcilla Fontibón amarilla como en la negra, se observo un aumento en el valor del Cc obtenido en el ensayo MSLcr con respecto al obtenido previamente en el ensayo MSLp (Tablas 4.8 y 4.16). Este incremento se origina por la rigidización a la que es sometida la arcilla tras la reorganización de sus partículas hacia un estado más denso. iii) ENSAYOS CRS La totalidad de los ensayos CRS mostraron un comportamiento viscoso dependiente de έ expresado en términos de isotacas (Figuras 4.16, 4.17 y 4.18). Dadas las condiciones drenadas bajo las que fue ocurre esta respuesta del suelo ante la carga, se puede afirmar que esta se debe exclusivamente a las propiedades viscosas inherentes al material arcilloso, sin que haya influencia alguna de la presión de poros en exceso (Figura 5.1).


87

iv) DEFINICIÓN DE OCR0ε&

Con el objeto de evaluar la dependencia del comportamiento mecánico de las arcillas con respecto a έ, se propuso una definición alterna de OCR (Ecuación 5.1) con respecto al estado de esfuerzos producido para una deformación dada conferida a una tasa de deformación constante έ0 (OCR

0ε& ). Dicha definición difiere de la habitual, requiriendo la inclusión de un nuevo estado de esfuerzos denominado subconsolidado, en adición a los tradicionales normalmente consolidado y sobreconsolidado. v) INFLUENCIA DE έ EN EL OCR

0ε& Bajo la definición propuesta de OCR

0ε& ,se evaluaron las isotacas trazadas con base en los resultados arrojados por los ensayos CRS, observando que guardaban una relación lineal en el espacio semilogaritmico OCR

0ε& vs. log (έ/έ0), cuya pendiente negativa fue denominada parámetro Θ. Observando los rangos de valor del parámetro Θ y la similitud de dicha tendencia con la ecuación propuesta por Leinenkugel (Ecuación 5.3), se concluye la existencia de una equivalencia Θ = -Ivα. Los valores promedio de OCR

0ε& obtenidos tras incrementos y decrementos de 25 veces la magnitud de έ0 son 0.9 y 1.1 respectivamente (Tabla 5.2), es decir un cambio de dicha magnitud en el valor de έ0, puede llegar a producir variaciones aproximadas de ±10% en el estado de esfuerzos de un suelo. Si bien, esa transición no es suficiente para producir un cambio significativo en el comportamiento mecánico de un suelo arcilloso, la gran diferencia existente entre las altas velocidades de deformación tenidas en cuenta en los ensayos de laboratorios y las bajas velocidades de deformación producidas en el terreno, pueden incrementar de manera considerable dicha variación, causando que se sobreestime el estado real de esfuerzos causado a un suelo por acción de una solicitación externa. vi) INFLUENCIA DEL CREEP EN EL OCR

0ε& Siguiendo un procedimiento similar al realizado para analizar los ensayos CRS, se evaluaron las isotacas trazadas con base en los resultados de los ensayos MSLcr, bajo la definición propuesta de OCR

0ε& . Sin embargo, a diferencia del caso anterior, dado que la relación existente entre las velocidades de deformación para cada una de las isotacas era desconocida, se procedió a despejar la proporción usando la Ecuación 6.4, donde se utilizaron los valores de Ivα hallados con base en mediciones de laboratorio (Tabla 4.17).


88

Los valores promedio de OCR0ε& encontrados gráficamente a partir de la definición

arbitraria de una isotaca de referencia έ0, fueron 0.86 para la isotaca de έ superior a έ0 y 1.5 para la isotaca de έ inferior a έ0. El calculo con la ecuación antes mencionada arrojo valores promedio de relaciones έ / έ0 de 3x104 y 6.7x10-14

respectivamente (Ver Tablas 6.4, 6.5 y 6.6). La magnitud de dichas relaciones de velocidad de deformación son importantes, si se tiene en cuenta que la duración de las fases de creep en laboratorio fue en promedio de solo 20 horas, indicando que en terreno, donde las duraciones son considerablemente superiores, dichas relaciones de velocidad podrían aumentarse significativamente, proporcionando al suelo un alto valor de sobreconsolidación de acuerdo a la definición OCR

0ε& .


89

AGRADECIMIENTOS

El contenido de este proyecto de grado, fue en gran parte posible gracias al invaluable apoyo proporcionado por el Profesor Arcesio Lizcano PhD, siempre presto a colaborar con sus aportes y conocimiento a la evolución del mismo. De igual manera el autor desea hacer extensiva su gratitud al CITEC por la colaboración prestada en el componente experimental de este trabajo y en particular a José Naranjo y Alexander Galindo por la asesoría prestada en la elaboración de los ensayos.

OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS

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