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INFLUENCIA DE LA MICROESTRUCTURA EN EL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LOS SUELOS RESIDUALES DE ESQUISTOS EN SABANETA. POR: DIANA DIXA RIVAS PEREA, I. C. TRABAJO DIRIGIDO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE MAGISTER EN INGENIERÍA – GEOTECNIA ASESOR: MANUEL ROBERTO VILLARRAGA HERRERA, M. I. FACULTAD DE MINAS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL PROGRAMA DE MAESTRÍA EN INGENIERÍA ‐ GEOTECNIA MEDELLÍN, FEBRERO DE 2010 FICHA BIBLIOGRÁFICA RIVAS PEREA, DIANA DIXA. (2010) Influencia de la micro‐estructura en el comportamiento dinámico de los suelos residuales de esquistos en Sabaneta. 106 páginas, 210 x 297 mm (Magíster en Ingeniería – Geotecnia 2010) Tesis de maestría, Facultad de Minas, Escuela de Ingeniería Civil – Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. Maestría en Ingeniería – Geotecnia. 1. Suelos tropicales (Tropical residual soils) 2. Dinámica de suelos (Soil dynamics) 3. Microestructura del suelo (Microstructure soil) II
DEDICATORIA A mi familia. III
AGRADECIMIENTOS A Dios, por haberme dado la vida y la oportunidad de alcanzar este logro. A mi director, Msc. Manuel R Villarraga, por sus enseñanzas que contribuyeron a mi formación profesional. Gracias por su exigencia y paciencia durante el desarrollo de esta Investigación. Msc Fabián Hoyos Patiño, quien fue director de la Maestría en Ingeniería Civil ‐ Área Geotecnia. Dr. Hernán Martínez Carvajal, por su contribución y gestión para realizar los ensayos para la elaboración de esta tesis. Al Dr. Iván Reinaldo Sarmiento Ordosgoitia, por su contribución y gestión para realizar los ensayos para la elaboración de esta tesis. Al ingeniero Diego Armando Rendón por su poyo en la etapa de exploración y la elección del sitio de estudio. A los ingenieros Humberto Gonzales y Francisco j. Londoño B, por su aporte en la caracterización microestructural de los suelos Al Ingeniero Oscar Jaramillo, por su aporte en el conocimiento microestructural del suelo. Al ingeniero Luis Fernando Cano por hacer la revisión de esta tesis y su paciencia durante la realización de la misma. Al laboratorio de Microscopía Avanzada, en especial al ingeniero Medardo Pérez. Al laboratorio de Suelos de la Universidad Nacional sede Medellín. Al laboratorio de Suelos, Concretos y Pavimentos de la Universidad EAFIT. Al laboratorio de Caracterización de Materiales de la Universidad Nacional. A mis compañeros de maestría, en especial a Gloria Ramírez, Diana Marcela Pérez y Duvan Amir Rueda, por su apoyo en la realización de esta investigación. A mis Padres, hermanos y a Harry Gutiérrez Mosquera por la paciencia y el apoyo incondicional en la realización de este postgrado. A los que no alcancé a mencionar que igualmente fueron partícipes de este gran logro, mil gracias.
IV
RESUMEN Los Esquistos de Sabaneta hacen parte de la diversidad de formaciones geológicas existentes en el Departamento de Antioquia. Diferentes investigaciones realizadas sobres suelos derivados de estas formaciones, han demostrado que existe un umbral en el cual el suelo empieza a incrementar la tasa de degradación. Este umbral se ha denominado deformación de cedencia y está influenciado entre otros factores por la composición mineralógica, el nivel de meteorización y la presión de confinamiento. Esta investigación estuvo encaminada a establecer el umbral en el cual el suelo empieza a perder rigidez y a estimar los cambios en la microestructura por efecto de los ensayos dinámicos. Los suelos estudiados corresponden a suelo residual y saprolito, los cuales son dos niveles de meteorización de Esquistos de Sabaneta. A estos suelos se les realizaron ensayos de caracterización estática (determinación de la humedad natural, gravedad específica, límites de Atterberg, análisis granulométrico) y microestructural (difracción de rayos‐X, microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido). Posterior a esto se efectuaron ensayos dinámicos del tipo elementos flexores, triaxial cíclico y columna resonante, por último se evalúo la estructura de los suelos post‐ensayos dinámicos, donde se utilizaron las técnicas de microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido para determinar los cambios a nivel microestructural. Los resultados obtenidos indican que dependiendo del grado de meteorización de los suelos, se presentan diferencias importantes en la composición microestructural, lo cual influye en la plasticidad, la deformación de cedencia y la respuesta ante cargas cíclicas. V
ABSTRACT The Sabaneta shales are part of the diversity of geological formations within the Department of Antioquia. Different research on soil derived from these formations have shown that there is a threshold at which the soil begins to increase the rate of degradation. This threshold has been called the yield strain and is influenced among other factors by the mineralogical composition, the level of weathering and confining pressure. This research was aimed to establish the threshold at which the soil begins to lose stiffness and estimate changes in the microstructure as a result of the dynamic tests. The studied soils correspond to residual soil and saprolite, which are two levels of weathering of shales of Sabaneta. These soils were subjected to static characterization tests (determination of natural moisture, specific gravity, Atterberg limits, sieve analysis) and microstructural (X‐ray diffraction, optical microscopy and scanning electron microscopy). Following this, dynamic tests were carried out such bender elements, cyclic triaxial and resonant column, finally we evaluated the structure of the soil‐post dynamic test, where techniques were used such as optical microscopy and scanning electron microscopy to determine changes at the microstructural level. The results indicate that depending on the degree of weathering of soils, there are major differences in microstructural composition, which affects the plasticity, the yield strain and the response to cyclic loading. VI
TABLA DE CONTENIDO 1 2 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 1 1.1 OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 2 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ....................................................................................................... 2 1.3 HIPÓTESIS ...................................................................................................................................... 2 1.4 RESULTADOS ESPERADOS ............................................................................................................. 3 1.5 ORGANIZACIÓN DEL ESCRITO ........................................................................................................ 3 MODELOS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS ...................................................................... 4 2.1 MODELOS VISCOELÁSTICOS LINEALES .......................................................................................... 4 2.2 MODELO CICLO INDEPENDIENTE NO‐LINEAL ................................................................................ 7 2.3 MODELO HIPERBÓLICO ................................................................................................................. 7 2.3.1 Modelo hiperbólico de Hardin y Drnevich (1972) ..................................................................... 8 2.3.2 Modelo hiperbólico de Hardin et al (1978) ............................................................................... 9 2.3.3 Modelo hiperbólico de Darendeli (2001) ................................................................................ 10 2.3.4 Modelo hiperbólico de Romo (1987) ...................................................................................... 11 2.3.5 Modelo hiperbólico Zhang et al (2005) ................................................................................... 11 2.3.6 Modelo hiperbólico de Otálvaro (2005) .................................................................................. 13 3 4 COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LOS SUELOS ........................................................................... 15 3.1 HARDIN (1978) ............................................................................................................................ 15 3.2 DOBRY ET AL (1987) .................................................................................................................... 17 3.3 MACARI Y HOYOS (1996) ............................................................................................................. 18 3.4 SANÍN (1999) ............................................................................................................................... 19 3.5 CANO ET AL. (2002) ..................................................................................................................... 20 3.6 DIAZ (2005) .................................................................................................................................. 21 3.7 MENDOZA (2004) ........................................................................................................................ 22 3.8 VALENCIA (2005) ........................................................................................................................ 22 3.9 OTÁLVARO (2005) ........................................................................................................................ 23 3.10 BETANCUR (2006) ........................................................................................................................ 23 3.11 OKUR ET AL (2007) ...................................................................................................................... 25 MICROESTRUCTURA Y COMPORTAMIENTO DEL SUELO ................................................................ 27 4.1 TÉCNICAS PARA EL ANÁLISIS DE MINERALOGÍA Y MICROESTRCUTURA ..................................... 28 4.1.1 Difracción de Rayos X .............................................................................................................. 29 VII
4.1.2 Microscopia electrónica de Barridos (SEM) ............................................................................ 31 4.1.3 Microscopio Óptico ................................................................................................................. 31 5 LOCALIZACIÓN DEL SITIO DE ESTUDIO .......................................................................................... 32 6 MARCO GEOLÓGICO Y GEOMORFOLÓGICO ................................................................................. 33 6.1 GEOLOGÍA REGIONAL (MZSVA, 2009). ........................................................................................ 33 6.2 MINERALES .................................................................................................................................. 35 6.2.1 Silicatos .................................................................................................................................... 35 6.2.2 Cuarzo y Micas ......................................................................................................................... 35 6.2.3 Minerales del perfil de alteración .......................................................................................... 36 6.3 MARCO GEOMORFOLÓGICO ....................................................................................................... 36 7 EXPLORACIÓN Y EXTRACCIÓN DE MUESTRAS ............................................................................... 38 8 METODOLOGÍA ............................................................................................................................ 40 8.1 CLASIFICACIÓN FÍSICA DE LOS SUELOS ........................................................................................ 40 8.2 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL ................................................................................................... 40 8.2.1 Difracción de Rayos X .............................................................................................................. 40 8.2.2 Microscopio Óptico ................................................................................................................. 41 8.2.3 Microscopio Electrónico de Barrido ........................................................................................ 41 8.3 ENSAYOS DINÁMICOS .................................................................................................................. 42 8.3.1 Bender Element ....................................................................................................................... 42 8.3.2 Columna resonante ................................................................................................................. 43 8.3.3 Triaxial cíclico .......................................................................................................................... 44 8.4 9 ENSAYOS MINERALÓGICO POST ENSAYOS DINÁMICOS ............................................................. 45 GÉNESIS DEL SUELO ...................................................................................................................... 46 9.1 ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN ....................................................................................................... 46 9.2 MICROESTRUCTURA DEL PERFIL DE METEORIZACIÓN ‐ CONDICIÓN NATURAL. ........................ 48 10 10.1 11 11.1 ENSAYOS DINÁMICOS .............................................................................................................. 56 CURVA DE DEGRADACION ........................................................................................................... 59 MICROESTRUCTURAS DE LOS SUELOS_ POST ENSAYOS DINÁMICOS ......................................... 68 ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................................................................... 73 12 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 78 13 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 81 ANEXO 1. Resultados de los ensayos Triaxial Cíclico ANEXO 2. Resultados de los ensayos de Columna Resonante VIII
ANEXO 3. Registros fotográficos (Microscopio óptico y Microscopio electrónico de Barrido) ANEXO 3. Espectros de los ensayos de Difracción de Rayos X (DRX) LISTA DE TABLAS Tabla 1. Ecuaciones para determinar el parámetro de curvatura .............................................................. 12 Tabla 2. Ecuaciones para determinar el parámetro γr1 ............................................................................... 12 Tabla 3. Ecuaciones para determinar el parámetro k ................................................................................. 13 Tabla 4. Efecto del incremento de varios factores en Gmax (Dobry ,1987) .................................................. 18 Tabla 5. Rangos de velocidad para diferentes tipos de suelos con espesor inferior a 15 m en Medellín .. 19 Tabla 6. Efecto de diferentes parámetros en las propiedades dinámicas de los suelos residuales de Medellín....................................................................................................................................................... 20 Tabla 7.Efecto del índice de plasticidad, límite líquido y de contracción en las propiedades dinámicas de los suelos residuales de Medellín ................................................................................................................ 20 Tabla 8. Resumen de las propiedades de las muestras ensayadas. .......................................................... 25 Tabla 9. Técnicas para análisis de la fábrica ................................................................................................ 28 Tabla 10. Coordenadas del Sitios de extracción de muestras ..................................................................... 32 Tabla 11. Resultado de Clasificación ........................................................................................................... 46 Tabla 12. Resultado del ensayo de Microscopio Óptico _ Roca .................................................................. 50 Tabla 13. Resultado del ensayo de Microscopio Óptico_ Saprolito. ........................................................... 51 Tabla 14. Resultado del ensayo de Microscopio Óptico_ Suelo Residual. .................................................. 52 Tabla 15. Relación de ensayos triaxial cíclico realizados. ............................................................................ 56 Tabla 16. Caracterización de las muestras ensayadas con triaxial cíclico. .................................................. 56 Tabla 17. Parámetros de Curvas de degradación de rigidez y amortiguamiento ....................................... 59 Tabla 18. Umbrales de deformación según Okur(2005)_Suelo Residual .................................................... 62 Tabla 19. Umbrales de deformación según Okur(2005)_Saprolito ............................................................. 63 Tabla 20. Índice de plasticidad y umbrales de deformación de las muestras ensayadas .......................... 64 TABLA DE FIGURA Figura 1. Modelo Kelvin (Ishihara, 1996) ...................................................................................................... 4 Figura 2. Modelo Maxwell (Ishihara, 1996) ................................................................................................... 5 Figura 3. Modelo Kelvin no viscoso (Ishihara, 1996) ..................................................................................... 6 IX
Figura 4. Relación entre el esfuerzo cortante y la deformación angular. ................................................... 10 Figura 5. Combina los efectos de presión de confinamiento e intensidad de meteorización sobre el módulo de rigidez en las muestras de suelo (Cano, 2005). ........................................................................ 21 Figura 6. Izquierda, tensiones de cedencia en pruebas de compresión confinada en saprolitos de gabro; derecha, estimación de la deformación de cedencia, γy, para la degradación del módulo de rigidez. ...... 23 Figura 7. Comparación de las curvas de amortiguamiento crítico obtenidas por Dobry y Vucetic con los suelos residuales de Medellín. .................................................................................................................... 24 Figura 8. Comparación de las curvas de amortiguamiento crítico obtenidas por Dobry y Vucetic con los suelos residuales de Medellín ..................................................................................................................... 24 Figura 9. Relación (G max /F (e)) vs (σ'c ) ....................................................................................................... 25 Figura 10. Umbrales elástico y viscoplástico _ Curva de degradación. ....................................................... 26 Figura 11. Esquema de las reflexiones de Bragg ......................................................................................... 30 Figura 12. Localización geográfica de la zona de estudio ........................................................................... 32 Figura 13. Geología de la zona de estudio .................................................................................................. 34 Figura 14. Geomorfología de la zona de estudio ........................................................................................ 37 Figura 15.Esquema zonal para la valoración cualitativa del perfil del meteorización (GCO, 1988) ........... 38 Figura 16. Perfil de meteorización del Esquisto Cuarzo Micáceo estudiado .............................................. 39 Figura 17. Tipo de Bender Element (Lee et al, 2005) .................................................................................. 43 Figura 18. Carta de plasticidad .................................................................................................................... 46 Figura 19. Curva granulométrica del suelo residual .................................................................................... 47 Figura 20. Curva granulométrica del Saprolito ............................................................................................ 47 Figura 21. Difractograma de la Roca_2Ɵ .................................................................................................... 48 Figura 22. Difractograma del Saprolito_2Ɵ ................................................................................................ 49 Figura 23. Difractograma del Suelo Residual_2Ɵ ....................................................................................... 49 Figura 24. Resultado del Ensayo de Columna resonante_ Suelo Residual .................................................. 57 Figura 25. Resultado del ensayo de Triaxial Cíclico _ Suelo Residual .......................................................... 57 Figura 26. Resultado del Ensayo de Columna Resonante_ Saprolito .......................................................... 57 Figura 27. Resultado del ensayo de Triaxial Cíclico _ Saprolito .................................................................. 58 Figura 28. Resultado del ensayo de Columna Resonante _ Saprolito y Suelo residual .............................. 58 Figura 29. Resultado del ensayo de Triaxial Cíclico _ Saprolito y Suelo residual ........................................ 58 Figura 30. Curva de degradación del Suelo Residual .................................................................................. 60 Figura 31. Curva de degradación del Saprolito ........................................................................................... 60 Figura 32. Curva de degradación del Suelo Residual .................................................................................. 61 Figura 33. Curva de degradación del Saprolito ........................................................................................... 62 X
Figura 34.Umbrales de deformación _ Suelo Residual ............................................................................... 63 Figura 35.Umbrales de deformación _ Saprolito ........................................................................................ 63 Figura 36. Umbral de deformación elástica y umbrales de deformación de las muestras ensayadas ...... 66 Figura 37. Umbral de deformación elástica y umbrales de deformación de las muestras ensayadas ...... 66 Figura 38. Comparación de las curvas de G/Gmax obtenidas por Dobry y Vucetic con los suelos Residuales de Medellín y los umbrales de deformación propuesto por Okur. Adaptada de Betancur 2006.
..................................................................................................................................................................... 67 Figura 39. Degradación microestructural del suelo residual (Microscopio óptico _Aumento de 20X) ..... 74 Figura 40. Degradación microestructural del saprolito (Microscopio óptico _Aumento de 20X) ............. 75 TABLA DE FOTOGRAFÍAS Fotografía 1. Localización de los Apiques .................................................................................................... 38 Fotografía 2. Secciones delgadas de suelo para ser analizadas en el Microscopio Óptico ......................... 41 Fotografía 3. Trozos de muestras analizadas en el SEM_ APC 5 ................................................................. 42 Fotografía 4. Muestra del suelo residual y del Saprolito_Equipo Columna Resonante .............................. 44 Fotografía 5. Muestra del suelo residual y del Saprolito _ Equipo triaxial cíclico ....................................... 45 Fotografía 6. Imágenes del Microscopio Óptico _ Roca (Aumento de 10x) ................................................ 50 Fotografía 7. Imágenes del Microscopio Óptico _ Saprolito (Aumento de 10x) ......................................... 51 Fotografía 8. Imágenes del Microscopio Óptico _ Suelo Residual (Aumento de 10x) ................................ 52 Fotografía 9. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Roca ...................................................................... 53 Fotografía 10. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Saprolito .............................................................. 53 Fotografía 11. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Análisis Químico_ Saprolito ................................ 54 Fotografía 12. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Suelo Residual .................................................... 54 Fotografía 13. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Análisis Químico _ Suelo Residual ...................... 55 Fotografía 14. Microfisuras cortas _ Suelo Residual (Microscopio óptico‐Aumento de 20X) .................... 68 Fotografía 15. Microfisuras continuas _ Suelo Residual (Microscopio óptico‐Aumento de 20X) ............... 69 Fotografía 16. Microfisuras _ Suelo Residual (SEM) ................................................................................... 69 Fotografía 17. Post Ensayos dinámicos _ Suelo Residual (Microscopio óptico‐Aumento de 20X) ............. 70 Fotografía 18. Post Ensayos dinámicos_ Suelo Residual (Microscopio electrónico de barrido) ................. 71 Fotografía 19. Post ensayos dinámicos _ Saprolito (Microscopio óptico _Aumento de 20X) ................. 72 Fotografía 20. Post ensayos dinámicos _ Saprolito (Microscopio electrónico de Barrido) ..................... 73 Fotografía 21. Fracturación de los minerales de Cuarzo_ Saprolito y Suelo residual (Estado natural) ...... 76 XI
Fotografía 22. Fracturación de los minerales de Cuarzo_ Saprolito y Suelo residual (Post‐ensayos triaxial)
..................................................................................................................................................................... 76 XII
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INTRODUCCIÓN Debido al ambiente geológico y geotectónico en que se encuentra situado el país, es necesario adelantar estudios de microzonificación sísmica y para ello se requiere conocer el comportamiento del suelo ante cargas dinámicas. Los diferentes fenómenos naturales, así como el accionar humano generan en los suelos una serie de excitaciones, que producen cambios en los estados de esfuerzos iníciales. Cuando el comportamiento de los suelos está sujeto a cargas cíclicas está gobernado por las propiedades dinámicas de los suelos, como son: módulo de rigidez, fracción de amortiguamiento y relación de Poisson. La forma gráfica como se representa el comportamiento del suelo es mediante la curva de degradación que muestra la variación de sus propiedades (G,β) con el nivel de deformación, en la cual se distinguen tres estados del comportamiento del suelo, elástico, plástico, y en ocasiones el de ruptura; cuando el suelo está en el rango elástico, las deformaciones son pequeñas, las rigideces son altas, el amortiguamiento es bajo y el suelo conserva la estructura; en el estado plástico el suelo es menos rígido y presenta mayor amortiguamiento. El límite hasta donde el suelo presenta un comportamiento elástico se ha definido como la deformación de cedencia. Dentro del marco de la microzonificación del Municipio de Medellín se realizaron una serie de ensayos dinámicos, los cuales sirvieron para el desarrollo de algunas investigaciones, una de ellas fue la tesis de Maestría en Ingeniería ‐ Geotecnia de Otálvaro (2005). Entre las observaciones que hizo a la curva de degradación del suelo, llamó la atención el hecho que para cada suelo que el analizó, la deformación para el cual el suelo sufre una pérdida abrupta de la rigidez fue diferente. La pérdida de la rigidez se ha asociado a diferentes propiedades de los suelos. Sanín (1999) observó que para diferentes rocas parentales, la deformación de cedencia varía, lo que indica que esta deformación está influenciada por el tipo de roca originaria del suelo. Okur en el 2007, en su estudio sobre el comportamiento dinámicos de los suelos de diversos sitos de Turquía, concluye que la pérdida de rigidez que sufre el suelo , está en función del índice de plasticidad, es decir que para dos suelos del mismo origen geológico pero de diferentes grado de meteorización presentan deformaciones de cedencia diferentes. Este trabajo hace un aporte en el conocimiento del comportamiento ante solicitaciones cíclicas de los suelos residuales de Esquistos en el Municipio de Sabaneta, dentro del marco de la Microzonificación Sísmica del Valle del Aburrá. El término "comportamiento dinámico del suelo" agrupa una variedades de temas donde se relaciona el módulo de elasticidad, el amortiguamiento y las deformaciones, lo que hace necesario hacer la claridad que el objeto principal de esta tesis es determinar la deformación de cedencia para los suelos estudiados y los cambios que puede sufrir a nivel microestructural por efecto de las cargas cíclicas. 1.1
OBJETIVOS Objetivo general: Aportar al conocimiento del comportamiento de la micro‐estructura del suelo residual y saprolito de Esquistos en Sabaneta ante cargas cíclicas. Objetivos específicos: 1. Caracterizar el perfil de meteorización de los suelos residuales de Esquistos. 2. Evaluar las propiedades estáticas, dinámicas y las características de la microestructura de los estratos de suelo a analizar. 3. Estimar la variación de la microestructura ante cargas cíclicas en el suelo residual y el saprolito. 1.2
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Los fenómenos dinámicos en el suelo existen desde la formación de la tierra, pero solo hasta años muy recientes e impulsado por los daños generados por éstos, se evidenció la necesidad de realizar estudios detallados. Las microzonificaciones realizadas en distintas ciudades, han sido una de las formas más importante de avanzar en el conocimiento del comportamiento del suelo ante carga cíclicas. Resultado de éstos y otros trabajos investigativos realizados en Antioquia, demostraron que los suelos residuales han exhibido un particular comportamiento que se ha asociado generalmente a su estructura frágil (Valencia, 2005) que está muy relacionada con su componente mineralógico (Fookes, 2004). Esta tesis busca dar respuesta a uno de los tantos interrogantes que se tejen alrededor de los suelos tropicales, como es la influencia de los esfuerzos cíclicos en la estructura de los suelos y en la definición de la deformación crítica a partir de la cual la estructura del suelo aparentemente colapsa y se producen grandes pérdidas de rigidez del suelo e incrementos en la fracción de amortiguamiento crítico. 1.3
HIPÓTESIS Del estudio de las curvas de degradación de los suelos, se observó que para los diferentes suelos existe una deformación, que para objeto de esta tesis se definirá como cedencia, que es donde el suelo empieza a sufrir una pérdida abrupta de rigidez, Sanín en el 1999, Otálvaro en el 2005, y Díaz (2005) detectaron este comportamiento, que se ha adjudicado a un rompimiento de la cadena mineralógica del mismo. Con base en esta premisa surge esta tesis donde se plantean las siguientes teorías: • La deformación de cedencia es el umbral donde el suelo empieza a alterar su estructura. • La deformación de cedencia depende de la presión de confinamiento, el índice de plasticidad y del origen del suelo. • El grado de meteorización del suelo es determinante para la deformación de cedencia. Algunos de los postulados que se hicieron anteriormente, ya han sido objeto de estudio, Sanín en 1999 concluyó entre otras cosas, que para diferentes rocas parentales la deformación de cedencia varía. 2
Sobre el mismo tema se pronuncio Otálvaro (2005), que en su investigación sobre los suelos del gabro de Medellín, concluyó que el módulo de rigidez a cortante y la deformación de cedencia de los suelos tropicales in situ, son función de la intensidad de meteorización y del estado de esfuerzos. 1.4
RESULTADOS ESPERADOS Como producto de esta investigación se pretende mostrar la relación entre la micro‐estructura y el comportamiento del suelo, y de esta manera contribuir al conocimiento del comportamiento del suelo ante carga cíclicas. De acuerdo con la naturaleza de los suelos a estudiar se esperan los siguientes resultados: • Que los minerales presentes en la roca sean detectados en el saprolito y suelo residual, pero en este último se empiecen a generar minerales segundarios producto de la meteorización. • Que producto de la alteración física y química de los minerales, el suelo residual debe presentar un mayor índice de plasticidad que el saprolito. • Que el suelo residual tenga menor rigidez, mayor amortiguamiento que el saprolito. • Que en el ensayo de columna resonante, para deformaciones unitaria entre 1E‐2 a 1E‐3, los suelos no presenten alteración de la microestructura. • Que los minerales más débiles sufran ruptura más rápidamente que los minerales rígidos. • Que en el ensayo triaxial cíclico el suelo sufra alteración irreversible en la microestructura. • Que el arreglo microestructural del saprolito sea más difícil de alterar ante esfuerzos cíclicos que el suelo residual. 1.5
ORGANIZACIÓN DEL ESCRITO El documento se encuentra dividido en 12 capítulos. En el capítulo 1, se presenta la introducción, las hipótesis del trabajo y la organización del escrito. El capítulo 2, comprende los modelos del comportamiento dinámico del suelo. En el capítulo 3 se presenta un resumen de los antecedentes sobre investigaciones que se han realizado sobre el tema. En el capítulo 4, se hace un recuento sobre la microestructura y comportamiento del suelo. El capítulo 5 muestra la localización de las zonas de estudio, el capítulo 6 describe la geología y geomorfología del sitio estudiado, el capítulo 7 detalla la exploración geotécnica. El ítem 8 corresponde a la metodología, en el capítulo 9 se reportan y analizan los resultados de laboratorio de pruebas índice y microestructural. En el capítulo 10, se presentan ensayos dinámicos. En el capítulo 11 se relacionan y analizan los resultados de los ensayos dinámicos y la microestructura de los suelos estudiados., en el capítulo 12 se presentan las conclusiones. En el capítulo 13, se reportan las referencias bibliográficas y por último los anexos. 3
2
MODELOS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS En el intento de entender el comportamiento de los suelos se han idealizado metodologías que han permitido una mejor compresión del mismo; Theirs y Seed (1968) haciendo uso del aparato de corte simple modificado para ensayar los lodos de la Bahía de San Francisco, analizaron las curvas resultantes de los ciclos de histéresis y encontraron que los módulos de cortante o de rigidez decrecían con la amplitud de deformación y el número de ciclos; mas adelante Seed y Kovacs (1971) estudiaron las propiedades del módulo de cortante y amortiguamiento en arcillas saturadas para ensayos cíclicos de corte simple y ensayos de vibración libre, y determinaron que para el ensayo de corte simple cíclico el módulo de cortante disminuía con el incremento de ciclos. Los modelos se agrupan en dos grupos, el primero corresponde a los basados en la teoría clásica de la viscoelasticidad y los de ciclos independientes. 2.1
MODELOS VISCOELÁSTICOS LINEALES Cuando el nivel de deformaciones unitarias de corte cíclico está en el orden de 10‐3 y 10‐4 o menores, el comportamiento de los suelos puede ser representado razonablemente por medio de modelos constitutivos basados en la teoría clásica de la viscoelasticidad, la cual relaciona el esfuerzo con la deformación y asume que esta relación es lineal. Esta teoría tiene en cuenta la energía de disipación del suelo, que como fue demostrado juega un papel importante en la determinación de los movimientos en depósitos de suelos durante sismos. (Ishihara, 1996). - Modelo Kelvin: se representa con un resorte y un amortiguador conectados en paralelo como se muestra en la Figura 1. τ
τ
γ
τ
1
G
2
G´
Figura 1. Modelo Kelvin (Ishihara, 1996) En este modelo la deformación γ , es impuesta para dos elementos: el esfuerzo τ que se divide en dos partes, una asumida por el resorte τ 1 y la otra por el amortiguador τ 2, el esfuerzo transmitido al resorte es calculado por la ecuación G*γ el esfuerzo asumido por el amortiguador es igual a G´dγ/dt, donde G y G´ son las constantes del resorte y amortiguador respectivamente. Así el esfuerzo total se expresa como: 4
Ecuación 1. τ = Gγ + G´dγ / dt
Este modelo ha sido utilizado para representar un comportamiento de reptación (creep) de un material sujeto a una carga de fluencia constante; la expresión para estos casos se obtiene de la integración de la Ecuación 1, respecto a un tiempo bajo una condición inicial: τ → τ0 y t= 0 Ecuación 2. γ =
τ0
G
−
(1 − e −t / t )
t‐ → Tiempo de retardo −
Ecuación 3. t = G´/ G
Si t‐ = t entonces γ = 0.632
τ0
G
Por tanto, el tiempo de retardo significa el tiempo necesario para alcanzar el 63,2% de la deformación total, bajo la condición de esfuerzo de corte constante. (Ishihara, 1996) - Modelo Maxwell Consiste en un resorte y un amortiguador conectado en serie (ver Figura 2 ) τ
G
G´
γ
1
γ
2
Figura 2. Modelo Maxwell (Ishihara, 1996) En este modelo, la deformación es asumida una parte por el resorte y la otra por el amortiguador, denominados γ1 y γ2 . Cada componente de la deformación es correlacionada con el esfuerzo por las ecuaciones: Resorte Ecuación 4. τ = Gγ 1 Amortiguador Ecuación 5. τ = G´dγ 2 / dt El modelo es obtenido por la relación de las deformaciones como se muestra en la siguiente ecuación: 5
Ecuación 6.
τ
G´
+
1 dτ dγ
=
G dt
dt
El modelo ha sido usado para representar un comportamiento de relajación de un material sometido a deformación constante, integrando la Ecuación 6 y en condiciones iníciales: γ → γ0 y t= 0, se obtiene; Ecuación 7. τ = γ O Ge − t 7 t
−
Donde: ‐
t → tiempo de retardo −
Ecuación 8. t = G´/ G Si t‐ = t, se obtiene que: Ecuación 9. τ = 0.368Gγ O El tiempo de retardo, es el tiempo necesario para la relajación del esfuerzo de corte inicial del 63.2%, bajo la condición de deformación de corte constante. (Ishihara, 1996). - Modelo Kelvin tipo no‐viscoso El modelo consiste en un resorte conectado en paralelo con un amortiguador de ritmo independiente (Figura 3). τ
τ
γ
τ
1
G
2
Go´
Figura 3. Modelo Kelvin no viscoso (Ishihara, 1996) El esfuerzo transmitido al resorte y el amortiguador son emitidos simultáneamente; el esfuerzo asumido por el resorte es calculado por la ecuación G∗γ el esfuerzo asumido por el amortiguador se genera con un ángulo de desfase de 90° y se expresa como G´O γ, donde G´O es la constante del amortiguador, el esfuerzo de corte tiene la ecuación: Ecuación 10. τ = (G + iG´O )γ 6
Donde la presencia del término imaginario representa el fenómeno de desfase, de lo cual se deriva que el módulo toma valores constantes independientes de la frecuencia de la carga cíclica. (Ishihara, 1996). 2.2
MODELO CICLO INDEPENDIENTE NO‐LINEAL Cuando las amplitudes de las deformaciones de corte, son pequeñas, la respuesta del suelo no cambia con el incremento de ciclos; y los módulos de corte y de amortiguamiento permanecen constantes, pero cuando las deformaciones son grandes se produce una curva de histéresis no lineal en la relación cíclica esfuerzo deformación. (Ishihara, 1996) 2.3
MODELO HIPERBÓLICO Este modelo asume que las curvas esfuerzos‐deformación de suelo están limitadas por dos líneas rectas que son tangenciales a ellas, la tangente de deformaciones pequeñas es denotado como GO y la asíntota horizontal para grandes deformaciones indica el límite superior del esfuerzo τf, denominado resistencia del suelo; los límites de la curva esfuerzo‐deformación puede ser expresado en forma diferencial como: ⎛
τ
dτ
= G O ⎜1 −
Ecuación 11.
⎜ τ
dγ
f
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
n
Donde n depende del ajuste que se haga a la curva. Esta expresión muestra que la tangente de las curva esfuerzo deformación toma le valor de GO para τ= 0 y tiende a decrecer cuando incrementa el esfuerzo hasta que empieza hacerse igual a cero,τ = τf. Excepto cuando n =1, la ecuación anterior se puede integrar para satisfacer la condición γ=0 cuando τ= 0. (Ishihara, 1996) Ecuación 12. γ =
yr ⎡
1
⎢
n − 1 ⎢⎣ (1 − τ / τ f
)
n −1
⎤
− 1⎥ ⎥⎦
Donde γr es la deformación de referencia se define como: Ecuación 13. γ r
=
τf
GO
La deformación de referencia indica que puede ser obtenida en el esfuerzo de falla, si el suelo tiene comportamiento elástico. Una de las fallas interesantes de las curvas esfuerzos deformación está dada en la ecuación 10, que produce una relación de amortiguamiento constante de 2/π como límite cuando las deformaciones empiezan a ser grandes, lo que genera una nueva ecuación: ⎛
⎝
Ecuación 14. ⎜1 +
π
ya
⎞
* D ⎟γ a f (γ a ) = 2∫ f (γ )dγ 0
2
⎠
Si la relación de amortiguamiento es asumida para tomar un valor constante, DO, para grandes deformaciones la ecuación tiene la siguiente expresión: 7
⎛π
⎞
⎛ π
⎞
DO ⎟ f (γ a ) = ⎜1 + DO ⎟γ a f ´(γ a ). ⎝2
⎠
⎝ 2
⎠
Ecuación 15. 1 − ⎜
De las ecuaciones anteriores se obtiene la curva para el modelo hiperbólico: Ecuación 16. τ
=
GOγ
γ
1+
γr
La expresión parar el módulo secante en ciclos de carga está dada por: Ecuación 17. G
=
GO
1
1+
γa
γr
Donde G =
τa
γa
La relación de amortiguamiento tiene la siguiente expresión: Ecuación 18. D =
4⎡
1 ⎤ ⎡ ln(1 + γ a / γ r ) ⎤ 2
1−
⎥ − ⎢1 +
π ⎣ γ a / γ r ⎥⎦ ⎢⎣
γ a /γ r
⎦ π
La relación entre el módulo de corte secante y la relación de amortiguamiento está definida por la ecuación: Ecuación 19. D
=
⎤ ⎡ G / GO ⎛ G ⎞ ⎤ 2
4⎡
1
⎟⎥ − (Ishihara, 1996) ln⎜
⎢1 −
⎢
π ⎣1 − G / GO ⎥⎦ ⎣ G / GO ⎜⎝ GO ⎟⎠⎦ π
2.3.1 Modelo hiperbólico de Hardin y Drnevich (1972) Con este modelo se puede estimar el módulo de rigidez para deformaciones hasta del 1%; la curva esfuerzo ‐ deformación se vuelve asintótica al valor del esfuerzo cortante máximo τmax con la aplicación de esfuerzos cortantes en el suelo. El módulo rigidez tiene la expresión de la Ecuación 20 y el módulo de rigidez máximo está en relación con la deformación máxima de referencia (Ecuación 21). Ecuación 20 G =
Ecuación 21. G
=
τ
γ
τ max
γr
La deformación de referencia es el punto de intersección de la tangente con pendiente Gmax y la línea τ=τmax; el módulo de corte normalizado tiene la forma de la Ecuación 22. Ecuación 22. G
=
Gmax
1
γ
1+
γr
El esfuerzo cortante para cualquier deformación está dado por la siguiente ecuación: 8
Ecuación 23. τ
=
Gmax*γ
Gmax
1+
γ
τ max
La ecuación normalizada para la deformación está dada por la fórmula: Ecuación 24. γ
γm
γ
=
γ r a + (b − 1) γ
γm
Donde a y b son constantes inherentes al tipo de suelo, introducidas en la ecuación para ajustarla mejor al comportamiento dinámico del suelo, y el γm es la deformación para el 50% de G/Gmax. 2.3.2 Modelo hiperbólico de Hardin et al (1978) Este modelo hiperbólico describe el comportamiento esfuerzo ‐ deformación cíclica no lineal, para deformaciones hasta de 1%. El esfuerzo cortante τ está dado por la siguiente expresión: Ecuación 25. τ =
γ
γ
1
+
G Max τ max
Donde τmax es el esfuerzo cortante en la falla; Gmax módulo de rigidez máximo y γ es la deformación para la cual se quiere encontrar el esfuerzo cortante. El módulo de rigidez tiene la siguiente expresión: Ecuación 26. G
=
Gmax
1
γ
1+
γr
Donde γr es la deformación de referencia que es el punto de intersección de la tangente con pendiente Gmax y la línea τ=τmax , como se muestra en la Figura 4. 9
ESFUERZO
CORTANTE,
τmax, γr
τ
1
Gmax
τmax
DEFORMACION
ANGULAR,
γ
Figura 4. Relación entre el esfuerzo cortante y la deformación angular. La expresión de la ecuación normalizada tiene la siguiente forma: Ecuación 27. γ
γm
γ
=
γ r a + (b − 1) γ
γm
Donde γm es la deformación para el 50% de G/Gmax; a y b son constantes que dependen del tipo de suelo. 2.3.3 Modelo hiperbólico de Darendeli (2001) Darendeli hizo pruebas en suelos inalterados en el ensayo de columna resonante y concluyó que la rigidez es: Ecuación 28. G
=
G max
1
⎛γ
1 + ⎜⎜
⎝γr
⎞
⎟⎟
⎠
α
Donde: γ es la deformación por cortante; γr es la deformación de referencia, que para efectos prácticos se suele tomar la deformación correspondiente a G/GMáx = 0.5. α es un coeficiente adimensional, para los suelos de origen sedimentario estudiados es del orden de 0.92. La fracción de amortiguamiento crítico con el nivel de deformación tiene la forma propuesta Hardin et al (1972). ⎛ G
Ecuación 29. β = (b11 + b12 * Ln( N ))⎜⎜
⎝ G Màx
c
⎞
⎟⎟ β Ma sin g + β min ⎠
Donde el βMasing está dado por la siguiente expresión: 10
Ecuación 30. β Ma sin g
τγ ⎞
⎛
8⎜ ∫ τdγ − ⎟
2⎠
= ⎝
τγ
4π
2
N es el número de ciclos del ensayo; b11 y b12, son constantes que dependen del tipo de suelo; c es una constante que suele tomar un valor de 0.1. Cuando la fracción de amortiguamiento βMasing es cero como en el caso de pequeñas deformaciones, la expresión debe ser complementada con un amortiguamiento mínimo, βmin. 2.3.4 Modelo hiperbólico de Romo (1987) Este modelo se basa en el propuesto por Hardin y Drnevich, que tiene la siguiente expresión para el cálculo de la relación de rigidez: γ
Ecuación 31. G = 1 − γ m
γ
G max
a+b
γm
Donde variable γm, que es la deformación correspondiente al 50% de G/Gmax, y las constantes α y b, inherentes al tipo de suelo; α controla la pendiente y concavidad de la curva y b el valor mínimo de la relación G/Gmax. La ecuación para determinar la fracción de amortiguamiento crítico está dada en función del γm obtenido del ajuste de G/Gmax y tiene la siguiente forma: γ
γm
Ecuación 32. β = β min +
γ
γm
1
+
β min β max − β min
El amortiguamiento mínimo β min para deformaciones muy pequeñas (1x10‐4%) controla la tendencia de la curva hasta la deformación de referencia (γm) y el amortiguamiento máximo (βmax), limita el crecimiento de la curva para valores mayores a γm y equivale al amortiguamiento para una deformación teórica de 100%. 2.3.5 Modelo hiperbólico Zhang et al (2005) Deducen una ecuación para estimar el módulo de corte y la relación de amortiguamiento para suelos cuaternarios, terciarios, saprolitos y residuales; este modelo está basado en el modelo hiperbólico y el análisis estadístico de ensayo de Corte Torsional y Columna Resonante para 122 especímenes obtenidos desde el sur y norte de Carolina y Alabama. Las variables utilizadas en esta ecuación son la amplitud de la deformación de corte, la presión de confinamiento y el índice de plasticidad. El modelo se obtiene usando el modelo hiperbólico usado por Stokoe et al (1999) (ver Ecuación 33). Ecuación 33.
G
=
G max
1
⎛γ
1 + ⎜⎜
⎝γr
⎞
⎟⎟
⎠
α
11
Donde es la γr deformación de referencia, que es la deformación cuando G/GMáx = 0.5 y α es el parámetro de curvatura, que se asume dependiente del índice de plasticidad y se presenta de acuerdo al edad geológica. Tabla 1. Ecuaciones para determinar el parámetro de curvatura Adaptada de Zhang et al, 2005 Suelo Terciarios y más viejos Suelos cuaternarios Suelos Residuales/Saprolito Parámetro α Ecuación 0.0009 PI+1.026 0.0021 PI + 0.834 0.0043 PI+0.794 Correlación (r2) 0.015 0.505 0.053 La deformación de referencia se obtiene en función del esfuerzo efectivo medio, tiene la siguiente expresión: /
k
Ecuación 34. 2 γ r = γ r1 (σ m / Pa ) Donde γr1 es la deformación de referencia para un esfuerzo de confinamiento efectivo medio de 100 KPa; de acuerdo a las eras geológicas están agrupados de la siguiente forma: Tabla 2. Ecuaciones para determinar el parámetro γr1 Adaptada de Zhang et al, 2005 Suelo Terciarios y más viejos Suelos cuaternarios Suelos Residuales/Saprolito Parámetro γr1 Ecuación 0.0004 PI+0.0311 0.0011 PI + 0.0749 0.0009 PI+0.0385 Correlación (r2) 0.143 0.508 0.107 Pα es el esfuerzo de confinamiento de 100 kPa y k es un exponente de corrección de esfuerzo y el esfuerzo de confinamiento medio es calculado por la ecuación: /
/
/
/
/
Ecuación 35. σ m = (σ ν + 2σ h ) / 3 = σ ν (1 + 2 K o ) / 3 /
/
/
Donde σ ν es el esfuerzo vertical efectivo, σ h es el esfuerzo efectivo horizontal y K o es el coeficiente reposo de presión de tierra efectivo. k es un parámetro dependiente de la plasticidad y está dado de acuerdo a la era geológica de cada suelos, ver la siguiente tabla. 12
Tabla 3. Ecuaciones para determinar el parámetro k Adaptada de Zhang et al, 2005 Suelo Terciarios y más viejos Suelos cuaternarios Suelos Residuales/Saprolito Parámetro k Ecuación 0.316 e‐0.0110 PI
0.316 e‐0.0142 PI 0.420 e‐0.0456 PI Correlación (r2) 0.232 0.323 0.486 Los valores normalizados de G/GMáx obtenidos por medio de esta ecuación presenta una correlación mayor de (R2 =0.75) para los tres grupos. La relación de amortiguamiento tiene la siguiente expresión: Ecuación 36. D = f (G / Gmax ) + Dmin Donde Dmin está dado por la siguiente expresión: Ecuación 37. Dmin = Dmin1 (σ
m
/ Pa
)
−k / 2
⇒ Dmin1 = α (PI) + b Donde α y b son parámetros de curvatura que equivalen a 0.008 y 0.82 respectivamente; el valor máximo del Dmin es del 21 %. Finalmente se tiene una ecuación cuadrática que es una modificación de la propuesta por Ishibashi y Zhang (1993) que tiene la forma de la ecuación 6. Entre esta ecuación y los datos medidos se tiene una correlación superior a 0.8. Ecuación 38. D
= 10.6(G / Gmax ) − 31.6(G / Gmax ) + 21+ Dmin 2
2.3.6 Modelo hiperbólico de Otálvaro (2005) La forma del modelo de pérdida de rigidez con el nivel de deformación a cortante, corresponde a una modificación del modelo propuesto por Hardin & Drnevich (1972), el cual presenta una similitud considerable con el modelo propuesto por Van Genuchten (1980) para la curva característica humedad‐
succión del suelo. El modelo es descrito por la Ecuación 39: Ecuación 39.
1
G
=
Gmax ⎡ ⎛
γ
⎢1 + ⎜⎜
⎢⎣ ⎝ γ Y
⎞
⎟⎟
⎠
n m
⎤
⎥
⎥⎦
Donde:
γY : n : nivel de deformación por cortante donde empieza la pérdida de la estructura y el suelo comienza un comportamiento inelástico. parámetro de ajuste que controla la tasa con la cual ocurre la pérdida de rigidez del suelo con el incremento de la deformación por cortante. 13
m: parámetro de ajuste que controla la pérdida de rigidez del suelo a grandes deformaciones. En lo que respecta a la fracción de amortiguamiento crítico con respecto a la deformación por cortante se empleó un modelo similar al propuesto por Darendeli (2001), tomando el amortiguamiento en función de la relación de degradación G/GMax, de acuerdo con la siguiente expresión: Ecuación 40.
β=
β Max
⎡ ⎛ G
⎢1 + ⎜⎜
⎢⎣ ⎝ G Max
⎞
⎟⎟
⎠
c
⎤
⎥
⎥⎦
d
Donde, β: es la fracción de amortiguamiento crítico para el nivel de deformación donde es evaluado G/GMax. G/GMax: calculado con la ecuación (1). βMax: amortiguamiento máximo esperado en el suelo. c: parámetro de ajuste relacionado con la tasa de incremento de amortiguamiento al reducirse la rigidez del suelo. d: parámetro de ajuste relacionado con el amortiguamiento mínimo del suelo. El parámetro d se obtiene con una regresión de la forma: d = a ⋅ Ln(β min ) + b Donde, βmin: amortiguamiento mínimo. a y b: parámetro de ajuste relacionado con el tipo de suelo. Para los suelos residuales de Medellín y el Valle de Aburrá los parámetros a y b suelen ser ‐1.4427 y 4.3219 respectivamente. (MSVA, 2009) ÉSTE SERÁ EL MODELO QUE SE UTILIZARÁ EN ESTA TESIS, DEBIDO A LA SIMILITUD QUE EXISTE ENTRE LOS SUELOS ANALIZADOS EN ESTA INVESTIGACIÓN Y LOS SUELOS QUE OTÁLVARO UTILIZÓ PARA LA CALIBRACIÓN DE LA ECUACIÓN. 14
3
COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LOS SUELOS El comportamiento del suelo ante cargas cíclicas depende de muchos factores, los cuales han sido el punto de partida para interpretar o modelar el comportamiento del mismo. La esquematización de este comportamiento del suelo, se representa mediante la curva que relaciona el módulo secante de cortante G y la amplitud de deformación de cortante cíclico γc, que se expresa como G / Gmax versus γc. donde Gmax, es el módulo de cortante a pequeñas deformaciones. En la curva de degradación del suelo, se pueden distinguir tres zonas: muy pequeñas deformaciones, pequeñas deformaciones y grandes deformaciones. En la región de pequeñas deformaciones el módulo alcanza un valor máximo (Gmáx). El comportamiento del suelo, dentro de este intervalo de deformaciones, se caracteriza por no presentar cambios en la fábrica, los enlaces a nivel molecular se conservan intactos y la pérdida de energía por fricción es pequeña. Se considera que el suelo presenta un comportamiento lineal elástico. El Gmax se calcula mediante la fórmula Gmax = ρ(vs 2), donde se relaciona la densidad del suelo y la velocidad de propagación de la onda de corte (vs), esta velocidad se obtiene generalmente del ensayo de "Bender Element" o geofísica. La energía disipada en el ciclo se representa mediante la curva que relaciona el amortiguamiento del material β y γc (nivel de deformación). 3.1 HARDIN (1978) Hardin en 1978 desarrolla una ecuación para estimar el módulo para pequeñas deformaciones en términos de la relación de vacíos y la relación de sobreconsolidación (OCR), que tiene la siguiente forma: Ecuación 41 . Gmax = 625 F(e) (OCR)k Pa(1‐n) (σo’)n Donde: F (e) es una función de la relación de vacíos OCR es la relación de sobreconsolidación k es una constante que es función del índice de plasticidad Pa es la presión atmosférica expresada en las mismas unidades de Gmax n es un exponente que representa el esfuerzo , generalmente tiene un valor de 0.5. Hardin (1978) propuso que F (e)= 1
0 .3 + 0 .7 e 2 En la región de Pequeñas Deformaciones, el módulo de corte es función no lineal de la deformación, donde la rigidez decrece de forma gradual con la deformación. El comportamiento del suelo empieza a ser no lineal e inelástico (Alarcón–Guzmán, 1986), presentándose pequeños cambios en la fábrica con deformaciones irreversibles después de ciclos carga – descarga en ensayos triaxiales (Hight et al, 1997). Para conocer el comportamiento del suelo en esta región se utiliza el ensayo de columna resonante. La región de grandes deformaciones, se caracteriza porque la rigidez se reduce drásticamente y el suelo se encuentra cerca de la falla. El comportamiento del suelo para grandes niveles de deformación se caracteriza por cambios irreversibles en la fábrica y una alta degradación de la rigidez. Para estimar el 15
módulo de cortante a grandes niveles de deformaciones, Hardin y Drenvich en 1972 sugirieron la siguiente ecuación. Ecuación 42. G =
τ
γ
y Gmax =
τ max
γr'
Donde: τ : es el esfuerzo de corte γ: es la deformación a esfuerzo cortante γr’:es la deformación de referencia Ecuación 43. τ =
γ'
γ'
1
+
Gmax τ max
Sustituyendo y reemplazando en las ecuaciones anteriores se obtiene: Ecuación 44. G =
Gmax
1+
γ'
γr'
La ecuación anterior es equivalente a: Ecuación 45. G =
Gmax
1+ γ h'
Donde γh’ es la deformación hiperbólica ⎛ γ' ⎞
⎟⎤
−b ⎜⎜
γ ' ⎡⎢
γ '⎟
1 + ae ⎝ ⎠ ⎥ Ecuación 46. G =
γr'⎢
⎥
r
⎣
⎦
Donde, para suelos cohesivos saturados, a = 1 +0.25 log N b = 1.3 Siendo N el número de ciclos de carga La relación entre el módulo de cortante y el amortiguamiento de acuerdo con Hardin y Drnevich en 1972 se expresa como: ⎛
Ecuación 47. λ = λ max ⎜1 −
⎜
⎝
G
Gmax
⎞
⎟⎟ ⎠
Donde λmax es la máxima fracción de amortiguamiento, la cual ocurre cuando G = 0. 16
Para suelos cohesivos saturados: Ecuación 48. λmax (%) = 31 – ( 3+0.03 f ) σo’ ½ + 1.5 f ½ ‐ 1.5 (log N) Donde f es la frecuencia (en ciclos por segundo) σo’ es el esfuerzo efectivo de confinamiento ( en kg / cm2) N es el número de ciclos de carga La ecuación anterior es equivalente a: Ecuación 49. λ
γ ''
= h λmax 1 + γ h ' '
Donde γh’’ es la deformación hiperbólica ⎛ γ' ⎞
⎟⎤
− b1 ⎜⎜
⎟
⎛ γ ' ⎞⎡
⎟⎟⎢1 + a1e ⎝ γ r ' ⎠ ⎥
Ecuación 50. γ h ' ' = ⎜⎜
⎥
⎝ γ r ' ⎠⎢⎣
⎦
a1 = 1+0.2f ½ b1 = 0.2 f (e‐σo’) + 2.25 σo’ +0.3 log N 3.2
DOBRY ET AL (1987) Determinaron los efectos ambientales y las condiciones de carga, en el módulo de cortante máximo, G/Gmax y la fracción de amortiguamiento en suelos normalmente consolidados y sobreconsolidados. Estos resultados se presentan en la Tabla 4, que incluye el efecto del incremento de varios factores en Gmax, G/Gmax y fracción de amortiguamiento λ en arcillas normalmente consolidadas y sobreconsolidadas (Dobry y Vucetic 1987). Dobry y Vucetic en 1991 llegaron a la conclusión de que el suelo se comporta de una forma más lineal y su rigidez de degrada menos para un γc (amplitud de deformación por cortante cíclico) dado cuando el índice de plasticidad es mayor, lo cual hace que se desarrolle una microestructura tal que el suelo se comporta linealmente a una alta deformación de cortante. Un incremento del índice de plasticidad genera aumentos de G/Gmax, esto sumado a una disminución del amortiguamiento hacen que el suelo se comporte linealmente a altos niveles de deformación cíclica de cortante, dando como resultado grandes amplificaciones de movimientos sísmicos, lo cual es válido en suelos normalmente consolidados y sobreconsolidados. 17
Tabla 4. Efecto del incremento de varios factores en Gmax (Dobry ,1987) Factor de Incremento Presión efectiva confinamiento, σo’ de G max
Se incrementa con σo’ Relación de vacíos, e Decrece con e
Edad geológica, τγ Se incrementa con τγ Cementación, c Se incrementa con c Relación de Se incrementa con OCR sobreconsolidación, OCR Se incrementa con IP si Índice de plasticidad, IP OCR>1. Permanece constante si OCR=1. No tiene efectos para suelos no plásticos; se incrementa con γ• para Velocidad de deformación, suelos plásticos (por •
γ encima de ≈ 10% se incrementa por ciclo logarítmico en γ• ) Decrece luego de N ciclos de γc , pero en arcillas se Número de ciclos de recupera con el tiempo; y carga, N se incrementa con N en arenas Deformación cíclica γc 3.3
No se afecta G/G max
Se incrementa con σo’; el efecto decrece con el incremento de IP Se incrementa con e
Puede incrementarse con τγ
Puede incrementarse con c λ Decrece con σo’; el efecto decrece con el incremento de IP Decrece con e Decrece con τγ Puede decrecer con c No se afecta No se afecta Se incrementa con IP Decrece con IP G se incrementa con γ• , pero G/Gmax Permanece constante o probablemente no es puede incrementarse con •
afectado si G y Gmax son γ medidos con el mismo γ• Decrece luego de N ciclos de γc. (Gmax medido antes de N ciclos) para arcillas; para arenas puede No es significativo para γc incrementarse bajo moderados y N. condiciones drenadas o decrecer bajo condiciones no drenadas. Decrece con γc Se incrementa con γc MACARI Y HOYOS (1996) Estudiaron el efecto de la meteorización en las propiedades físicas, mecánicas y dinámicas en suelos derivados de basalto de la costa oeste de Puerto Rico, en Añasco Valley. Los suelos estudiados se clasificaron como limos arenosos que fueron sometidos al ensayo de columna resonante. En este estudio la influencia del grado de meteorización en el suelo se determinó estableciendo un rango de presiones de confinamiento por debajo, cercanas y superiores al estado de esfuerzos en el sitio y en su sensitividad al cambiar el nivel de confinamiento, aun más allá del umbral de deformación límite γth . Las propiedades dinámicas a niveles de deformación por debajo de la deformación límite son referidas como módulo de cortante Gmax, y fracción de amortiguamiento λmin a bajas amplitudes. Si los suelos son deformados a niveles mayores que γth, no exhiben un comportamiento elástico lineal produciéndose ablandamiento y degradación (plastificación) (Dobry et al. 1991; Isenhouer 1979 ; Dobry et al. 1982; Huoo‐Ni 1987). 18
Se concluyó que Gmax se incrementa con la presión de confinamiento, mientras que β decrece sin una tendencia clara. Gmax se incrementa con el esfuerzo de confinamiento y el efecto de la meteorización es menor para Gmax y βmin en la medida en que se incrementa σ’o. Las muestras que fueron tomadas a menores profundidades (0 m ‐ 0,6 m) fueron más susceptibles a cambios en Gmax bajo variaciones en la presión de confinamiento que las tomadas a mayores profundidades (0,6 m a 2,7 m); esto puede ocurrir debido a la ruptura de cementaciones naturales y a que el suelo a un nivel superficial presenta una mayor deformabilidad, ya que ha experimentado procesos de meteorización más intensos. 3.4
SANÍN (1999) Analizó el efecto del esfuerzo de confinamiento, la plasticidad y la humedad en las propiedades dinámicas de los suelos transportados y residuales originados de los diferentes materiales parentales del área urbana de Medellín como rocas ígneas, metamórficas, granodioritas, gabro, dunita, neis, anfibolitas, depósitos aluviales, depósitos resientes, y meteorizados. Encontró que los registros de velocidad de propagación de ondas de corte, mostraron que los suelos de Medellín presentan una amplia variación, la cual depende principalmente del origen del suelo, el grado de meteorización y la humedad natural. Las variaciones de velocidad de onda de corte en suelos residuales y transportados mostraron valores desde 200 m/s hasta 1000 m/s (Tabla 5). Tabla 5. Rangos de velocidad para diferentes tipos de suelos con espesor inferior a 15 m en Medellín Tipo de suelo Rango de velocidad (m/s) Suelo residual derivado de rocas metamórficas
360‐620 Suelo residual derivado de roca ígneas 200‐300 Transición de suelo a roca 400‐600 Depósitos de vertiente a flujo de lodo maduro 500‐1000 Depósitos de vertiente o flujo de lodo reciente 200‐550 Depósitos aluviales 100‐300 En este estudio se concluyó que los suelos residuales derivados de rocas ígneas exhiben una degradación de su rigidez en términos de G/Gmax y fracción de amortiguamiento menor que los suelos originados de rocas metamórficas. Por lo tanto, se espera que tengan una mayor amplificación durante un sismo (Tabla 6). En general los suelos residuales presentan una menor tendencia a la degradación en la medida en que se incrementa el IP (Tabla 7). 19
Tabla 6. Efecto de diferentes parámetros en las propiedades dinámicas de los suelos residuales de Medellín Tabla 7.Efecto del índice de plasticidad, límite líquido y de contracción en las propiedades dinámicas de los suelos residuales de Medellín 3.5
CANO ET AL. (2002) Analizaron el comportamiento dinámico de suelos tropicales "in situ" y transportados, derivados de gabro y dunita respectivamente, en inmediaciones del Hotel Intercontinental y el colegio La Providencia en el barrio El Poblado de la ciudad de Medellín. El programa de muestreo se efectuó mediante pozos excavados manualmente de los cuales se recuperaron 265 muestras en tubo de pared delgada y 18 muestras de bloque, toda la exploración fue llevada hasta los horizontes de roca y las pruebas dinámicas se efectuaron con el contenido de humedad natural. Del este estudio se obtuvieron las siguientes conclusiones: 20
•
El módulo de rigidez G se incrementa de manera no n lineal con
n el nivel de confinamiento. La fracción de amortiguamie
a
ento crítico β se reduce conforme se incremen
nta la presió
ón de co
onfinamiento
o. •
Generalmente en los perfilees de suelos rresiduales, el grado de meeteorización ssuele disminu
uir con la profundidad
d, y a su vez la velocidad d
de propagaciión de ondas de corte aum
menta con éssta, lo qu
la profundid
ue hace penssar que la relaación G/Gmax aumenta con
a
dad; sin embaargo en el sap
prolito gáábrico este effecto está máás relacionad
do con los esffuerzos efectivos de confinamiento. Dee esta fo
orma, para loss saprolitos de menor grad
do de meteorrización, II a III (clasificació
ón de Dearmaan), se tieene un camb
bio sustancial en la respueesta del suelo
o al aumentaar la presión de confinamiento, diiferenciándosse dos bandas; en los grad
dos de meteorización inteermedios, III y IV, se obtieene la vaariación con m
menor disperrsión, en conttraste con la alta variación de la rigideez en los grad
dos de m
meteorización mayor IV a V
V.
En
n la Figura 5 5 se aprecia un comporttamiento no lineal y diferenciable con
n la intensidad de m
meteorización,
, según la trayectoria segu
uida por las deformacioness de acuerdo con el increm
mento dee la presión d
de confinamieento. Figura 5
5. Combina lo
os efectos de
e presión de cconfinamientto e intensidaad de meteorrización sobre
e el módulo de rrigidez en lass muestras de
e suelo (Cano
o, 2005). 3.6
DIA
AZ (2005) En el artículo denominado "Comportamiento Dinámico D
de los Sedimen
ntos Lacustres de la Ciudad de México ", y basado en la premisa que estos suellos presentan
n propiedadess índice y meecánicas singu
ulares, miento de la m
mayoría de lo
os suelos, ded
dicó su atencción al que no see ajustan a los patrones dee comportam
comportamiento dinám
mico de estoss suelos, enfatizando en la deformación
n de fluencia (cedencia). En esta investigacción se definie
eron tres regiiones de defo
ormación con las siguientees características: • Reegión de pequeñas deform
maciones: La variación de la rigidez y eel amortiguam
miento en la rregión dee pequeñas deformaciones depende del estado de d esfuerzos y de las carracterísticas físico‐
qu
uímicas del su
uelo bajo con
nsideración. 21
•
•
3.7
Región de deformaciones medias: Un parámetro importante en el comportamiento cíclico de los suelos arcillosos es el índice de plasticidad, Ip, los suelos con un Ip alto tienen una estructura abierta, por tanto, para una deformación específica estos suelos experimentan menor degradación durante la carga cíclica. Lo anterior se verifica en los suelos de la ciudad de México, los cuales presentan un comportamiento poco degradable para deformaciones hasta de 3%, lo que define el umbral de degradación, γdt. Región de grandes deformaciones: En esta región el suelo de la Ciudad de México presenta un gran deterioro debido a la amplitud de las deformaciones y al número de ciclos de carga, la interacción entre partículas cesa y como consecuencia conduce a la falla. MENDOZA (2004) En su estudio de la influencia de la succión en el módulo de corte para pequeña deformación, determinó que para un suelo lineal, continuo e isotrópico, la relación de Poisson depende del contenido de humedad. Para saturaciones altas, la relación de Poisson es cercana a 0.5, mientras que para saturaciones medias o bajas esta es menor a 0.15; a demás concluyó que: • La fábrica inicial juega un papel muy importante en el comportamiento de un suelo parcialmente saturado. En este estudio se determinó que el efecto de la fábrica inicial sobre la rigidez del material no es constante durante el secado. Este efecto es más importante a medida que el suelo pierde humedad. Por ejemplo, para succiones bajas, la fábrica inicial de los suelos ensayados tiene poca incidencia en la magnitud de los módulos, mientras que para altas succiones, la fábrica inicial determina, en gran medida, la magnitud del módulo de corte y del módulo de Young. • La fricción interparticular juega un papel importante en el incremento de la rigidez durante el secado. Su efecto es más importante a medida que aumenta la succión. • La variación del módulo de corte con la succión durante el secado y el humedecimiento es producto de no solo la histéresis del suelo, sino también los cambios en la fábrica producidos durante el secado. Las mismas conclusiones aplican para la variación del módulo de Young durante el secado y el humedecimiento. 3.8
VALENCIA (2005) En su estudio sobre suelos para determinar la influencia de la meteorización en la propiedades de los suelos afirmó que la acción de la meteorización en los perfiles estudiados, está generando hacia la superficie minerales de caolinita y óxidos de hierro, que se presentan en agregaciones, formando una estructura de poros muy grandes, que hace más compresible, más deformable y con menor resistencia por efecto de la succión a estos suelos superficiales. Los suelos analizados son originados de la meteorización de las rocas metamórficas correspondientes al neis de la Iguaná y a las anfibolitas de Medellín. Entre las conclusiones que se obtuvieron de la investigación está que a mayor índice de alteración, el comportamiento de los suelos en la superficie está influenciado por los cementantes y en los menos alterados, cercanos a la roca, la succión es la que tiene un mayor efecto. 22
Estos resultados muestran entonces, la importancia de asociar el comportamiento mecánico de los suelos tropicales con sus propiedades físico‐químicas, su composición mineralógica y su microestructura. 3.9
OTÁLVARO (2005) Presentó un estudio sobre la caracterización de la respuesta del sitio del gabro de Medellín. En una parte de este trabajo mostró como los cambios que sufren los minerales presentes en el suelo producto del proceso de meteorización influyen de manera importante en el comportamiento dinámico y en el módulo de rigidez del suelo. Para cada grado de meteorización corresponde una deformación de cedencia diferente. Además concluyó que es posible definir en las curvas de degradación del módulo de rigidez normalizado una deformación de cedencia, γy, que corresponde a la zona donde se incrementa súbitamente la pérdida de rigidez. Comportamiento dinámico análogo al observado en los suelos estructurados derivados de gabro en las pruebas de compresión confinada, en el cual se pueden definir tensiones de cedencia, σ’y, que corresponden a cambios en la trayectoria tensión deformación, y que han sido denominadas por algunos autores presiones aparentes de preconsolidación (Figura 6). El módulo de rigidez a cortante y la deformación de cedencia de los suelos tropicales in situ son función de la intensidad de meteorización y el estado de esfuerzos, así como del proceso de formación. Figura 6. Izquierda, tensiones de cedencia en pruebas de compresión confinada en saprolitos de gabro; derecha, estimación de la deformación de cedencia, γy, para la degradación del módulo de rigidez. 3.10 BETANCUR (2006) Compara las curvas del módulo de rigidez normalizado de los materiales de Alcarraza y Serranía, que son dos facies distintas del Stock de Altavista con las propuestas por Dobry y Vucetic para varios índices de plasticidad. Las curvas de degradación de la rigidez de Alcarraza y Serranía se encuentran dentro de las curvas de Dobry y Vucetic correspondientes a índices de plasticidad de 0 % a 15% (Figura 7 y Figura 8). 23
Figura 7. Comparación de las curvas de amortiguamiento crítico obtenidas por Dobry y Vucetic con los suelos residuales de Medellín. Figura 8. Comparación de las curvas de amortiguamiento crítico obtenidas por Dobry y Vucetic con los suelos residuales de Medellín Concluyó que el origen tiene influencia en el comportamiento histerético de los suelos así como que el número de ciclos en el módulo de rigidez, el cual es mayor en la medida en que disminuye el porcentaje de finos y el índice de plasticidad. Los suelos de Alcarraza presentan mayor porcentaje de finos e índices de plasticidad con respecto a los de Serranía, lo cual puede explicar el hecho de que en Alcarraza se generen menores alteraciones en la estructura del suelo ante cargas dinámicas y por consiguiente haya una menor influencia del número de ciclos en el módulo de rigidez. Este comportamiento fue identificado por Dobry y Vucetic en 1991 e Ishibashi et al, en 1992. 24
3.11 OKUR ET AL (2007) El estudio se realizó después del sismo Kocaeli de 1999, e hizo parte de una investigación en Turquía. Las 98 muestras que se utilizaron se obtuvieron de varios sitios del país, en su mayoría clasificaron como suelos fino‐granulares en estado saturado, el resumen de las propiedades índices de las muestras ensayadas en ésta la se presenta en la Tabla 8. Tabla 8. Resumen de las propiedades de las muestras ensayadas1. Rango de profundidades Contenido de agua (%) Relación de vacíos Límite líquido, (%) Índice de plasticidad (%) 2.50 ‐ 23.55 25‐52 0.68‐1.40 38‐70 9‐40 Tipo de suelo ML, MH, CL, CH La investigación confirmó la influencia de la plasticidad y la presión de confinamiento efectivo en el comportamiento dinámico de los suelos. Para el cálculo de la rigidez máxima se usó la ecuación empírica propuesta por Ishihara (1996) (Ecuación 51), donde A = 466, B = 3.4, and C = 0.66 para pequeñas deformaciones, esta rigidez fue normalizada con la función de relación de vacios (Ecuación 52). De igual forma esta relación (G max /F(e) ) se correlacionó con la presión de confinamiento efectiva (σ'c ) y se obtuvo un valor de 0.909 (Figura 9). Ecuación 51. Gmax = A
(B − e)2 (σ ' ) C
Ecuación 52.
(1 + e) c F (e) =
(3.4 − e)2
(1 + e)
Figura 9. Relación (G max /F (e)) vs (σ'c ) Más adelante en la investigación, los autores indican que la reducción de la rigidez empieza a ser efectiva una vez un el nivel de deformación de corte cíclico critico (umbral elástico) es excedido. Esta afirmación se hizo basada en los resultados obtenidos de una serie de ensayos con cambio de las amplitudes esfuerzos sobre muestras inalteradas de suelo. También definió un posible segundo nivel de deformación crítica, que se define como umbral de flujo, en el que la muestra de suelo ha llegado a las 1
Adaptada de Okur et al 2007
25
condiciones de estado de equilibrio y empieza a comportarse como un material viscoplástico. Estos dos umbrales críticos fueron determinados usando correlaciones y aproximaciones empíricas, basadas en el índice de plasticidad como se observa en las Ecuación 53. 1
0.035
Ecuación 53. γ E =
γP =
1.39 − 0.33 IP 0.28
1 + 11 .92 exp (− 0.1IP )
Figura 10. Umbrales elástico y viscoplástico _ Curva de degradación. En la investigación se concluyó, además, que el umbral elástico es aproximadamente igual a 90% de Gmax y que el umbral de flujo el suelo tiene una rigidez aproximada del 10% del valor inicial y en esta fase se alcanza a moviliza la resistencia residual. 26
4
MICROESTRUCTURA Y COMPORTAMIENTO DEL SUELO Para los suelos es muy importante el conocimiento de la organización microestructural, debido a la relación de éstos con el comportamiento del suelo. A continuación se hace definición de los conceptos de mineralogía y de fábrica, que se han considerado el punto de partida para el entendimiento de los temas de desarrollado en esta investigación. • Mineralogía La mineralogía controla el tamaño, las fases y las características de la superficie de las partículas en un suelo, estos factores a su vez determinan la plasticidad, expansibilidad, compresibilidad, las resistencia y la permeabilidad (Mitchell, 1993). Se han definido tres tipos de minerales: primarios, accesorios y secundarios. Los minerales primarios, son conocidos como aquellos que han sido heredados de la roca parental, constituyen la mayor parte de las fracciones arena y limo de los suelos, aunque también pueden presentarse en las fracciones arcillosas en los suelos pocos meteorizados; minerales accesorios, aún si la meteorización no es muy activa, se alteran con bastante facilidad y minerales secundarios son aquellos que se forman por el ambiente superficial (ambiente de formación del suelo), a bajas presiones y temperaturas y en medio acuoso (Ford, 1984). Los minerales arcillosos presentan un tamaño reducido de partícula, y presencia de carga en su superficie, lo cual le otorga propiedades físico ‐ químicas muy particulares. Desde el punto de vista químico, los minerales arcillosos se clasifican como silicatos secundarios, es decir que son sales con estructura cristalina que surgen de la combinación del ácido silícico (H4SiO4) con diferentes cationes alcalinos, alcalino térreos y demás cationes metálicos (Duran, 2005). Los minerales arcillosos se ubican dentro de los filosilicatos por la disposición laminar o en hojas de los cationes y aniones que los componen, razón por la cual presentan una gran superficie por unidad de peso expuesta al contacto con el medio (superficie específica), siendo ésta una de las principales características que les confiere un destacado papel en el comportamiento del suelo. Los minerales de arcilla se pueden obtener mediante tres rutas (Eberl, 1984): 1. Herencia: los minerales de arcilla se formaron por reacciones que ocurrió en otra área, que fue transportada, al sitio actual, y es bastante estable para permanecer en el ambiente actual. 2. Neoformación: la arcilla se ha precipitado desde soluciones o se ha formado de la reacción de materiales amorfos. 3. Transformación: se retiene parte de la estructura del mineral original, mediante dos mecanismos reconocidos: (a) intercambio iónico con los cationes del medio, y (b) transformaciones en las capas octaédricas o tetraédricas de los minerales primarios y en los cationes de las entrecapas; en general se originan a partir de un silicato preexistente sometido a las diversas reacciones químicas de meteorización (González. 2003). Estos minerales pueden clasificarse según el número de hojas elementales que las compongan en: capa tipo 1:1, capa tipo 2:1 y capa tipo 2:1:1 dando origen de esta forma a los distintos tipos estructurales de minerales arcillosos. 27
•
Fábrica El término se refiere al arreglo de las partículas, grupos de partículas y poros en un suelo. Se le ha dado el mismo significado a “estructura” pero específicamente la microestructura es el efecto combinado de fábrica, composición, fuerza entre partículas y estructura (Mitchell, 1993) la cuantificación de parámetros microestructurales es indispensable para determinar tanto la frecuencia de macro y microestructura como para establecer el grado de homogeneidad dentro de las muestras y entre ellas. El objeto de los estudios de la microestructura es la clasificación y cuantificación de varios aspectos de la masa de suelos, los cuales pueden ser correlacionados con propiedades ingenieriles (Mesa et al 2004, Collins, 1985). La microestructura ha sido identificada como el principal factor que controla el comportamiento y las propiedades geomecánicas del suelo (Mesa et al 2004, Collins 1985). La caracterización de la microfábrica se realiza por 3 niveles (Collins ,1985), que son: 1. Nivel elemental: donde las partículas son del tamaño del limo, arcilla, arena o grupos de agregado de arcilla. 2. Nivel de ordenamiento: conformado por un gran número de arreglo de partículas elementales de arcilla o granulares que combinan para formar varios tipos de ensambles de partículas que incluye: matrices, agregado y matrices granular. 3. Nivel compuesto: incluye tres aspectos: la microfábrica, la heterogeneidad y el grado de anisotropía. Basados en estos conceptos, de mineralogía y de fábrica, se han adelantados numerosos estudios acerca de la influencia de la microestructura en el comportamiento de los suelos, por ejemplo los suelos con contenido de mineral de arcilla del tipo de halloisita, tienen alta plasticidad, son sensibles al secado, a la manipulación y altamente compresibles (Blight, 1997). 4.1
TÉCNICAS PARA EL ANÁLISIS DE MINERALOGÍA Y MICROESTRCUTURA Existen números técnicas para caracterizar tanto mineralógica como microestructuralmente una muestra de suelo. Cada una de ella actúa a una escala específica, como se indica en la Tabla 9 . Tabla 9. Técnicas para análisis de la fábrica MÉTODO Microscopio óptico (polarizado) BASES ESCALA DE OBSERVACIÓN Y FALLAS PERCEPTIBLES
Partículas individuales de largo y tamaño de partículas, grupos de Observaciones directa de partículas de arcilla, orientación preferible de arcilla, superficie de fractura de homogeneidad en una escala milimétrica o grande, grandes poros secciones delgadas útil para límites superior de magnificación cerca de 300 X. 28
MÉTODO BASES Observaciones directas de superficie de fractura a través de muestras de suelos (Microscopía electrónica de barrido Microscopia (SEM). electrónica Observación de réplicas de superficie (Microscopía electrónica de transmisión TEM) Grupos de láminas de arcilla paralelas Difracción de rayo X producen difracción fuerte desde laminas orientadas aleatoriamente 1. Instrucción forzada de fluido Distribución del (usualmente mercurio) tamaño del poro 2. Condensación capilar Arreglo de partículas, densidad, e Ondas de propagación influencia de los esfuerzos, velocidad de onda Dispersión dieléctrica y conductibilidad eléctrica Conductividad térmica Susceptibilidad magnética ESCALA DE OBSERVACIÓN Y FALLAS PERCEPTIBLES Resolución cerca de 100 Å; profundidades larga con SEM; observaciones directas de partículas; grupos de partículas y espacios de poro, detalle de micro fábrica La orientación en área de micrómetros cuadrados; es mejor en minerales arcillas. 1. Poros en el rango desde 0.001 a > 10 µ m.
2. Máximo 0.1 µ m Anisotropía; medida de fábrica promedio sobre un volumen igual al tamaño de la muestra Evaluación de la anisotropía , floculación y Variación de la constante dieléctrica y la defloculación y propiedades ; medida de conductividad con la frecuencia fábrica promedio sobre un volumen igual al tamaño de la muestra Anisotropía; medida de fábrica promedio Orientación de las partículas e influencia sobre un volumen igual al tamaño de la de la densidad, conductividad térmica muestra Variación en magnetismo, susceptibilidad Anisotropía; medida de fábrica promedio con los cambios de la orientación de la sobre un volumen igual al tamaño de la muestras relativa al magnetismo del muestra terreno (Adaptada de Mitchell, 1993). A continuación se hace una descripción más detallada de las técnicas que se utilizarán en esta investigación para caracterizar la fábrica de los suelos estudiados. 4.1.1 Difracción de Rayos X Unas de las técnicas utilizadas para identificar los minerales dentro de los suelos y roca es la difracción de rayos X, la cual fue descubierta por Roentgen en 1895; sus similitudes con la luz condujeron a las leyes establecidas de óptica de ondas: polarización, difracción, reflexión y refracción. Con instalaciones experimentales limitadas, Roentgen no pudo encontrar pruebas de éstas y por eso los llamó rayos "x" (desconocidos). (Ostrooumov, 2007). En 1912, el físico alemán Max Von Laue y su equipo, sugirieron que los átomos de un cristal están espaciados a una distancia tan pequeña que les permite servir como elementos de una rejilla de difracción tridimensional para los rayos. Se llevaron a cabo ensayos con un cristal de sulfato de cobre, CuSO4. 5H2O al que se le sometió a la acción de los rayos X haciendo que el haz incidiera en una placa fotográfica. El resultado fue la impresión de la placa por una serie de manchas distribuidas geométricamente alrededor de una mancha central grande producida por el haz directo de rayos X demostrándose así que se producía difracción.( Ostrooumov , 2007) 29
pótesis (que el e medio cristtalino es periódico, que los rayos X so
on ondas, y que q la Basándosee en tres hip
longitud d
de onda de lo
os rayos X ess del mismo o
orden de maggnitud que laa distancia qu
ue se repite een los cristales) confirmó la difracción dee rayos X (DR
RX) y dio la pauta p
para el e comienzo de d la ciencia de la Cristalograafía de rayos X (Ostrooum
mov, 2007). odo permite la identificación ambigua:: la identificaación de mineerales y la cu
uantificación de las Este méto
fases en u
una mezcla, m
mediante el an
nálisis de fasees cuantitativas (Dinnebierr et al, 2002). En el año
o 1912, Fried
drich, Knippin
ng y Von Laue realizaron
n el primer experimento de difracción con cristales singulares s
de
e de sulfato de cobre y sulfito zinc. Basado en esta e
experien
ncia Max von
n Laue desarrolló
ó su teoría de
e la difracción de rayos‐X
X. Al mismo tiempo Bragg y realizó suss experimenttos de difracción, usando unaa nueva alterrnativa aunqu
ue de igual fo
orma que exp
plica el fenóm
meno de difraacción (Dinnebier et al, 2002). •
Laa ecuación d
de Bragg Bragg se d
dio cuenta qu
ue los rayos X
X dispersadoss por todos lo
os puntos de la red en un plano (hkl) d
debían estar en ffase para que
e las ecuacion
nes de Laue sse vieran satisfechas y aún
n más, la disp
persión a parrtir de sucesivos planos (hkl) debían estar así mismo en fase. Para una diferencia de fase igu
ual a cero lass leyes de la sim
mple reflexión deben maantenerse paara un plano
o sencillo y la diferenciaa de camino para reflexionees de planos sucesivos deebe ser un número entero de longitud
des de onda (Ostrooumo
ov M, 2007). ón conocida como de Leyy de Bragg, exxpresa de maanera sencillaa las condicio
ones que se d
deben La ecuació
cumplir para p
producirse el fenóm
meno de la difracción en los cristales. Aunque los rayos X eran difractado
os por un plaano cristalino
o, esto sólo sucedía s
en ciiertas condicciones para un u cierto grupo de planos paralelos, no de
e un modo co
ontinuo, que d
deben satisfacer la ecuació
ón n*λ = 2*d*sen θ, donde n es un númerro entero, λ es la longitud de onda, d d la distancia entre los plaanos paralelo
os sucesivos y θ el ángulo dee incidencia y reflexión de los rayos X so
obre el plano considerado.. Esquema d
de reflexioness de Bragg 1
h +k +l
=
2
d
a2
2
2
2
Esquemaa sintético de las reflexionees de Bragg
n = 2 d se
nλ
en θ
Figura 11. Esquemaa de las reflexxiones de Braagg 30
4.1.2 Microscopia electrónica de Barridos (SEM) La Microscopia de Electrónica de Barrido tiene una columna de electrón óptico en el cual un haz de electrones finamente centrado/enfocado puede ser barrido sobre una área específica (pequeña) del espécimen (Klein, 1997). La técnica esencialmente consiste en hacer incidir en la muestra un haz de electrones,el impacto del haz electrónico en la superficie de una muestra sólida causa varios tipo de señales de radiación que puede ser detectadas cerca del espécimen, esas señales incluyen electrones secundarios, electrones retrodispersadores, Rayos X, radiación catodoluminescence y electrones absorbido por el espécimen (Klein, 1997 ). La señal de electrones secundarios proporciona una imagen de la morfología superficial de la muestra, se considera un electrón secundario aquel que emerge de la superficie de la muestra con una energía inferior a 50 e V (electronvoltios), y un electrón retrodispersado el que lo hace con una energía mayor. La señal de retrodispersados esta compuesta por aquellos electrones que emergen de la muestra con una energía superior a 50 e V (electronvoltios). Estos electrones proceden en su mayoría del haz incidente que rebota en el material después de diferentes interacciones, la intensidad de la señal de retrodispersados, para una energía dada del haz, depende del número atómico del material (a mayor número atómico mayor intensidad) Este hecho permite distinguir fases de un material de diferente composición química. Las zonas con menor Z se verán más oscuras que las zonas que tienen mayor número atómico. Ésta es la aplicación principal de la señal de retrodispersados. El espectro X imágenes acerca de la composición de elementos químicos en la muestra. (Klein, 1997). Esta técnica permite determinar características como tamaño medio de las partículas, distribución, morfología, homogeneidad de su textura, cantidad aproximada y distribución de la porosidad. 4.1.3 Microscopio Óptico Estudia los minerales del suelo a través de luz polarizada, permite identificar las partículas mayores a 10 µm y su relación con otros componentes en dos dimensiones (Fookes, 2004). La preparación de la muestra puede incluir la impregnación con resina y la técnica del teñido, que es utilizado frecuentemente para ayudar en la identificación en secciones delgadas de minerales como carbonatos, feldespatos y minerales de arcilla (Fookes, 2004). Las técnicas de microscopía en luz blanca polarizada transmitida, reflejada y luz fluorescente reflejada en láminas delgadas y pulidas de suelos. Esta técnica permite identificar, tamaño, fase, textura y condiciones de granos y agregados para un intervalo de tamaño entre arena y limo; para el estudio en secciones de la fábrica, que es la distribución e interrelación de los constituyentes; y para el análisis de la orientación de los grupos de partículas de arcilla (Mitchell, 1993). También es útil para identificar el 80% de granos, basado en el criterio como el color, índice refractivo, birrefringencia, clivaje y la morfología de la partícula, la textura natural de la superficie, la presencia de revestimientos, capas de descomposición, y también es útil para la interpretación de la historia del suelos y como guía de la solidez y durabilidad de las partículas (Mitchell, 1993). 31
5
LOCALIZACIÓN DEL SITIO DE ESTUDIO El área de estudio se sitúa en el sur oriente del Departamento de Antioquia, en el Valle del Aburrá, en el Municipio de Sabaneta. Corresponde a un área de expansión demográfica, donde se está realizando la apertura de una vía. El sitio está localizado en las coordenadas descritas en la Tabla 10. Tabla 10. Coordenadas del Sitios de extracción de muestras SUELO Suelo residual Saprolito COORDENADAS PLANAS‐ORIGEN BOGOTÁ N
E
830.389 1′171059 830.453 1′171076 Figura 12. Localización geográfica de la zona de estudio 32
6
MARCO GEOLÓGICO Y GEOMORFOLÓGICO 6.1
GEOLOGÍA REGIONAL (MZSVA, 2009). En el Área Metropolitana del Valle de Aburrá se presentan diferentes unidades litodémicas que incluyen rocas metamórficas como Esquistos, Anfibolitas y Neises; rocas ígneas como Grano dioritas, Gabros y Basaltos; rocas volcano ‐ sedimentarias y depósitos recientes de origen aluvial y de vertiente. El basamento rocoso en Sabaneta está conformado por rocas metamórficas Esquistosas y Neises Anfibólicos, los afloramientos de roca fresca se observan hacia las partes altas de las vertientes. Hacia la parte media de la ladera se presenta desarrollo de los niveles VI y V del perfil de meteorización y la aparición de los depósitos de vertiente que se encuentran desde frescos hasta muy meteorizados. En la parte baja se identifican los abanicos aluviotorrenciales de las quebradas La Doctora y los depósitos recientes del río Medellín. La zona de estudio corresponde al perfil de meteorización de los Esquistos cuarzo‐micáceos (moscovita). •
Esquistos (Pes). Estas rocas pertenecientes al Complejo Cajamarca, en el Municipio de Sabaneta cubren un área mayor al 50 % del área total del Municipio. Los esquistos varían entre: esquistos verdes, esquistos cuarzo‐
micáceos y esquistos grafitosos. La alta susceptibilidad de estas rocas a la meteorización solo permite su clasificación en roca fresca. Los afloramientos de mayor importancia se encuentran en la zona sur de las veredas: La Doctora, San José, Cañaveralejo y Pan de Azúcar. En la vereda La Doctora, se presentan esquistos verdes, cuarzo‐
sericíticos y negros; hacia la finca La Romera, parte alta de La Doctora, predominan esquistos negros y en la loma Los Henao hay un predominio de esquistos cuarzo‐micáceos; los cuales se encuentran intruidos por unos cuerpos de composición cuarzo feldespática. En la vereda San José, se encuentran en la vía que conduce a la finca Tejas Arriba, frente a la fincas Panorama y Loma del Carriquí. En la vereda Cañaveralejo un afloramiento de esquistos verdes se ubica en cercanías a la finca Montañita. En el sector Pan de Azúcar predominan esquistos cuarzo‐micáceos y verdes. Por último, en el barrio Betania son característicos afloramientos de esquistos verdes. Los esquistos presentan complejas variaciones entre esquistos verdes, cuarzo‐micáceos y grafitosos. Son comunes las segregaciones de cuarzo y la textura esquistosa con láminas finas. En muestra de mano, los esquistos verdes se observan como una roca verde con foliación claramente definida. En los esquistos cuarzo‐micáceos el tamaño de grano es variable en cada afloramiento. Los esquistos negros o grafitosos, son untuosos, con clara dirección de foliación, su color varía desde negro a diferentes tonalidades de gris. Los esquistos varían composicionalmente de esquistos verdes y cuarzo‐micáceos en el sector Pan de Azúcar, veredas Cañaveralejo, San José y Ancón Sur a esquistos grafitosos en la parte alta de la cuenca de la quebrada La Doctora. En la vereda San José, la ocurrencia de esquistos grafitosos es mínima, solo en el área urbana de la vereda, se observaron algunos remanentes de esquistos negros muy plegados. El esquisto verde en el casco urbano del Municipio se encuentra intruído por un cuerpo ígneo de textura porfídica con fenocristales de feldespato. Dado el estado de meteorización de este cuerpo, genera un saprolito de color blanco a amarillo pálido, con granulometría limosa. De acuerdo con la geología del sitio los 33
esquistos objeto de estudio corresponden a Esquistos Cuarzo Micáceos, hecho que se corrobora más adelante. GEOLOGÍA DE LA ZONA DE ESTUDIO
GEOLOGIA DE SABANETA
GEOLOGÍA LOCAL
VALLE DEL ABURRÁ
MAPA DE SUBRREGIONALIZACIÓN DE ANTIOQUIA
Figura 13. Geología de la zona de estudio 34
De acuerdo con la información de la geología de la zona se espera que los minerales presentes en la roca sean el cuarzo y la moscovita son los de mayor participación. De ellos, así como de los minerales del perfil de meteorización, se hace una descripción de su comportamiento a continuación, lo cual es útil para entender el comportamiento de los mismos. 6.2 MINERALES 6.2.1 Silicatos Los silicatos están formados a partir de los dos elementos más comunes, el Si y el O, y tienen elementos accesorios que le dan distintas características. Los silicatos son un grupo grande y está subdividido con base en la estructura cristalina, es decir, por la forma en la cual cada átomo de Si y de O están unidos. La unidad básica de esta subdivisión es el tetraedro de sílice SiO4. Entre este grupo se distinguen: .
• SILICATOS SIMPLES: Están formados por tetraedros simples de SiO4. Un mineral característico es la OLIVINA SiO4 (Fe, Mg)2. • SILICATOS ANULARES O CICLOSILICATOS: Se forman cuando se conectan más de dos tetraedros en forma de estructura de anillos o cerrada. Los minerales más comunes de este tipo de silicatos son la TURMALINA y el BERILO (Be3Al2Si6O18). • CADENAS DE SILICATOS O INOSILICATOS: En este subgrupo, los tetraedros de silicatos están unidos lateralmente en cadena, las mismas pueden ser simples o dobles. Cadenas de silicatos simples: el grupo de los piroxenos es el más común. ‐ Cadenas de silicatos dobles: el grupo de los anfíboles en el mineral más común. Los anfíboles se caracterizan por tener el grupo OH en su estructura. Se dice que son minerales hidratados. • FILOSILICATOS: Estos minerales se forman cuando tres de los O de un tetraedro se comparten con tetraedros contiguos. Esta estructura laminar, hace que los minerales de este grupo tengan características particulares, como romperse en hojas. • TECTOSILICATOS O SILICATOS ESTRUCTURALES: Estos minerales se forman cuando cuatro oxígenos (O4) se combinan con sílice de tetraedros contiguos, formando una red tridimensional. Entre estos minerales tenemos el CUARZO y los FELDESPATOS, en los cuales el SiO4 se combina con Al, Na, K y Ca. 6.2.2 Cuarzo y Micas Propiedades del cuarzo El cuarzo está compuesto por Dióxido de Sílice, su fórmula química es SiO2, con sistema cristalográfico hexagonal división romboédrica. Incoloro, bordes irregulares aunque muestra a veces bordes rectos también, birrefringencia hasta 0,011. Tiene extinción ondulatoria. Rara vez incluye mica Sericita. Generalmente está en contacto con Sericita. Tamaño de grano menor de 0,7 mm, aunque a veces se encuentran tamaños menores de 1,2 mm. 35
Propiedades de las micas Las micas son minerales pertenecientes a un grupo numeroso de silicatos de alúmina, hierro, calcio, magnesio y minerales alcalinos caracterizados por su fácil exfoliación en delgadas láminas flexibles, elásticas y muy brillantes. Generalmente se encuentran en rocas ígneas tales como el granito y las rocas metamórficas como el esquisto. Las variedades principales de la mica son la Moscovita y la Biotita. Se dividen en micas blancas y negras. Las primeras, entre las que se destaca la moscovita, son ricas en álcalis; las segundas, cuyo principal representante es la biotita, abundan en hierro y magnesio. Las micas más importantes son la Moscovita, la flogopita, la lepidolita y la biotita. La mica presente en este estudio corresponde a la Moscovita. Mica incolora, a veces oxidada en los bordes de los microcristales los cuales se observan orientados definiendo una foliación. Incluye minerales opacos y estos al oxidarse manchan la mica, formas columnares alargadas con de 0,3mm de largo por 0,05 mm de ancho. Existen rara vez tamaños de hasta 1mm de largo. Respecto a sus propiedades mecánicas, la mica resiste grandes esfuerzos perpendiculares al plano de laminación, pero las láminas tienen poca cohesión entre sí y se desmenuzan fácilmente en escamas muy delgadas o en hojas. 6.2.3 Minerales del perfil de alteración Producto de la alteración del cuarzo y las micas se originan otros minerales que se describen a continuación: Minerales Opacos: Formas anhedrales, en agregados, con colores negro y amarillentos y rojizos, con tamaño menor de 0,05mms. Las venas se ven preferencialmente rojizas y tienen espesores menores de 0,6mm. Cloritoide: formas anhedrales a subhedrales, aparecen como microporfidoblasto con pleocroísmo de colores desde gris, café a incoloro. Aparece en contacto con mica sericita, tamaño menor de 0,05mm. Estilpnomelana: mineral anhedral, pleocroico desde café claro a oscuro., aspecto micáceo. Birrefringencia variando desde 0,009 a 0,035. Relieve menor que cuarzo. Aparece asociado a la mica sericita. Mica Hidratada: Mineral incoloro, con laminillas dispuestas en agregados menores de 0,3mms, con birrefringencia menor de 0,027. Estos agregados se asocian a cuarzo y a la mica sericita. Alteración: Aparentemente la mica se está alterando a illita (mica hidratada). 6.3
MARCO GEOMORFOLÓGICO La zona de estudio se ubica en la unidad geomorfológica Cm‐Ca que corresponde a las colinas medias a altas. Dentro del lote se ha realizado una intervención la cual ha modificado ligeramente la topografía. Esta intervención es más notoria en la parte inferior del lote donde se realizó una explanación.
36
GEOMORFOLOGÍA
Geomorfología de Sabaneta-MZSVA
Geomorfología local
Figura 14. Geomorfología de la zona de estudio 37
7
EXPLORACIÓN Y EXTRACCIÓN DE MUESTRAS Las muestras se extrajeron sobre el talud a una profundidad de 4.0 m para el suelo residual y a una profundidad de 9.0 m en el saprolito, los apiques fueron ubicados de la forma como se muestra en la Fotografía 1 . APIQUE 2 APIQUE 1 Fotografía 1. Localización de los Apiques En el recorrido de la zona de estudio se encontró el perfil de meteorización del Esquisto Cuarzo‐
Micáceo. En la clasificación del perfil de meteorización se utilizó la metodología zonal de Geotechnical Control Office de Hong Kong (1988), la cual divide el perfil en tres zonas: roca no meteorizada, NW; roca parcialmente meteorizada, PW, la cual se subdivide en cuatro subzonas de acuerdo con el contenido de fragmentos de roca frescos; y suelo residual, RS. En la Figura 15, se presenta el esquema de valoración cualitativa.
Figura 15.Esquema zonal para la valoración cualitativa del perfil del meteorización (GCO, 1988) 38
De acuerdo con lo anterior en la Figura 16 se presenta el perfil de meteorización de la roca objeto del estudio, estableciendo además la correspondencia con los niveles de meteorización de Dearman (1976). PERFIL DE METEORIZACIÓN RS → Suelo Residual. Es el nivel de meteorización más superficial y está constituido por un limo arcilloso de color pardo‐amarrillo y consistencia firme. Es un suelo homogéneo, con fragmentos de minerales (Cuarzo) y sin texturas heredadas, de espesor variable. De acuerdo con Dearman clasifica como VI (textura ausente). PW 0‐30 → Saprolito. Es un limo arcilloso de color amarillo rojizo, se presentan algunas estructuras heredadas del sistema de diaclasas de la roca original, las cuales se encuentran comúnmente rellenas de óxidos. Se distingues diferentes tipos de minerales y se evidencia algunos planos de foliación. De acuerdo con Dearman clasifica como V (textura original presente y núcleos ausentes textura ausente). PW 30‐50 → Transición Suelo‐ Roca. Se marcan los planos de foliación y se empiezan alterar algunos de los minerales. Conformado bloques limos arenosos de color pardo rojizo con planos de foliación que se encuentran llenas de óxidos y pequeñas gravas angulosas y meteorizadas de tamaños inferiores a 0.10 m. De acuerdo con Dearman clasifica como IV (núcleos de roca presentes). PW 50‐90 → Roca con señales de meteorización. En las partes bajas de la ladera se registra la roca moderadamente meteorizada. Ésta se caracteriza por la presencia de suelo entre las paredes de las discontinuidades y algún grado de alteración sobre las mismas. De acuerdo con Dearman clasifica como II (suelo y decoloración presentes). PW 90‐100 → Hacia las zonas más bajas del sitio de estudio se encontró roca con poco grado de alteración y de decoloración en el sistema de diaclasas donde se empezó a generar vegetación. De acuerdo con Dearman clasifica como I (Decoloración presentes). Figura 16. Perfil de meteorización del Esquisto Cuarzo Micáceo estudiado 39
8
METODOLOGÍA El Procedimiento seguido en esta investigación consistió en cuatro etapas: en la primera etapa se realizaron ensayos de clasificación física de la muestras, en la segunda se hizo un estudio de la fábrica de la roca y de los suelos estudiados, donde se determinó la composición mineralógica y microestructural de los especímenes. La tercera etapa correspondió a la caracterización dinámica de los suelos y por último en la cuarta etapa se estudió la microestructura (microscopio electrónico y microscopía electrónica de barrido) de los suelos sobre los cuales se realizaron los ensayos dinámicos, con el objeto de tratar de establecer el efecto de la aplicación de la carga cíclica en la estructura. 8.1
CLASIFICACIÓN FÍSICA DE LOS SUELOS La etapa 1 concierniente a la caracterización primaria de los suelos que se hizo mediante los ensayos de humedad natural (ASTM D2216‐92), peso específico de los sólidos (ASTM D854‐92), límites de Atterberg (ASTM D4218) y análisis granulométrico (ASTM D422). 8.2
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL Este análisis corresponde a la etapa 2 y tiene como objeto conocer la microestructura del suelo en estado natural. 8.2.1 Difracción de Rayos X Esta técnica permite identificar minerales presente en suelos y rocas. Este ensayo fue realizado sobre muestras de roca, saprolito y del suelo residual. Para la elaboración de este ensayo fue necesario pulverizar las muestras, hasta que toda la muestra pasara la malla N° 200 (0.074 mm). Para el análisis se usa la fracción total de muestra que pasa el tamiz N° 200. El ensayo fue realizado por el laboratorio de Caracterización de Materiales de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. La identificación de los minerales se obtuvo mediante el programa X Powder Ver 2004.04.47 PRO, que utiliza difractogramas patrones para la cuantificación de los diferentes minerales. Ésta es la forma más precisa de cuantificar fases en difracción de rayos X por el método de polvo. El método de análisis consiste en registrar difractogramas de compuestos cristalinos puros con la misma composición y parecida cristalinidad a los que se encuentran presentes en la muestra de ensayo. Cuando se realiza el análisis cuantitativo por este método, el programa usa métodos no lineales de mínimos cuadrados para encontrar la mezcla de difractogramas patrones que mejor se ajusta al experimental. Si las cristalinidades entre las muestras problema y los patrones son muy diferentes, es conveniente realizar registros de patrones de diversas cristalinidades. El programa se encarga de realizar la ponderación de todos ellos como si se tratara de fases independientes. También pueden incluirse difractogramas‐patrón de sustancias amorfas para obtener cuantificaciones globales de ellas en las mezclas analizadas. El uso de patrones internos de peso conocido (por ejemplo 10 % de corindón Al O ) 2
3
permite realizar análisis cuantitativos absolutos. Durante el análisis, pueden afinarse los desplazamientos de 2θ y el coeficiente másico de absorción global. Los datos también pueden ser pesados desde el punto de vista estadístico. Una vez obtenidos los difractogramas patrones, es sencillo realizar análisis cuantitativos seriados con una precisión que en 40
general es mucho mayor que las obtenidas por métodos de Rietveld o con bases de datos basados en corrección RIR (Relación de intensidad de referencia). 8.2.2 Microscopio Óptico 45 mm Esta técnica permite identificar, tamaño, fase, textura y condiciones de granos y agregados para un intervalo de tamaño entre arena y limo; para el estudio en secciones de la fábrica, que es la distribución e interrelación de los constituyentes; y para el análisis de la orientación de los grupos de partículas de arcilla (Mitchell, 1993). También es útil para identificar el 80% de granos, basado en el criterio como el color, índice refractivo, birrefringencia, clivaje y la morfología de la partícula, la textura natural de la superficie, la presencia de revestimientos, capas de descomposición, y también es útil para la interpretación de la historia del suelos y como guía de la solidez y durabilidad de las partículas (Mitchell, 1993). Este ensayo fue realizado para la roca y para los suelos estudiados. Debido a la fragilidad de las muestras de suelo (suelo residual y saprolito), esta debieron ser impregnadas, este proceso se realizó con una resina epóxica, lo que permitió realizar el corte y elaborar las secciones delgadas, las cuales tienen un espesor del orden de 30 µm y algunas se pulieron para su análisis en el microscopio. Fotografía 2. Secciones delgadas de suelo para ser analizadas en el Microscopio Óptico Para la roca no fue necesario realizar este procedimiento para hacer las secciones delgadas. Este ensayo fue realizado en los suelos en su condición natural y una vez realizados los ensayos dinámicos. 8.2.3 Microscopio Electrónico de Barrido El microscopio electrónico de barrido ‐SEM‐ método adaptado al estudio de la morfología de las superficies de las partículas. A diferencia de un microscopio óptico que utiliza fotones del espectro visible, la imagen entregada por el SEM se genera por la interacción de un haz de electrones que "barre" un área determinada sobre la superficie de la muestra. En el SEM los electrones secundarios emitidos desde la superficie de una muestra de suelo hacen que la imagen aparezca tridimensional. 41
El SEM tiene un intervalo de magnificación de 20 a 150000 y una profundidad de campo de unos 300 veces mayor que el del microscopio de luz. Esas características, hace que las partículas de arcillas y las fracturas superficiales de la masa de suelo puede ser vista directamente. El ensayo fue realizado en bloque impregnados de resina epóxica en los suelo y en fragmentos de roca, los cuales tuvieron tamaño variable, pero espesor no superior a 10 mm. Estas muestras fueron cubiertas con oro para poder ser estudiadas. 35 mm 7 mm Fotografía 3. Trozos de muestras analizadas en el SEM_ APC 5 Las muestras se analizaron en el microscopio de barrido (SEM) de la Universidad Nacional de Colombia (UN). Este ensayo fue realizado en los suelos en su condición natural y una vez realizados los ensayos dinámicos. 8.3
ENSAYOS DINÁMICOS La etapa 3 se realizó con el objeto de conocer el comportamiento del suelo ante cargas cíclicas, se realizaron, ensayos de columna resonante y triaxial cíclico, en muestras inalteradas. Los ensayos se realizaron sobre dos muestras inalteradas en el suelo residual y tres muestras en el saprolito. Estos ensayos fueron realizados en el Laboratorio de Suelos, Concretos y Pavimentos de la Universidad Eafit. 8.3.1 Bender Element El Bender Element, es un ensayo utilizados en la dinámica de suelos que permite hacer mediciones de velocidad de onda de corte, para obtener el módulo de rigidez máximo; este aparato es un transductor piezoeléctrico de dos capas, que contiene dos electrodos conductores exteriores, dos laminas piezoceramica, y una lamina conductora en el centro; existen dos tipos de Bender Element: en series y en paralelo , en el de funcionamiento en serie , la dirección de la Polarización de las dos capas piezoelectricas es opuesta y el Bender se conecta a electrodos exteriores; y en paralelo las dos capas piezoelectricas tiene la misma dirección de polarización ( Lee et al , 2005). 42
Bender Element -Serie
Bender Element-Paralelo
Figura 17. Tipo de Bender Element (Lee et al, 2005) El funcionamiento del aparato se basa en la capacidad de convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. Cuando una carga mecánica es aplicada a un piezo‐material, la estructura molecular distorsiona el momento bipolar del cristal y un voltaje es generado; recíprocamente, si una diferencia de potencial es aplicada, el piezocristal se deforma. (Detalles ver tesis Paniagua E. 2005). Los datos de rigidez máxima utilizados en esta investigación se obtuvieron del ensayo Bender Element que se realizaron para el área de estudio para la microzonificación del Valle de Aburrá (MZSVA, 2009). 8.3.2 Columna resonante Este ensayo, normalizado bajo la designación D 4015 ‐ 92 de la ASTM, permite determinar los módulos de elasticidad, E, rigidez, G, velocidad de onda de corte, Vs y fracción de amortiguamiento crítico, β, en muestras cilíndricas huecas o macizas de suelo en condiciones alteradas o inalteradas por medio de vibración, para niveles de deformación entre 1x10‐4% y 1x10‐2%. Consiste en someter una muestra de suelo a excitaciones o cargas torsionales armónicas por medio de un sistema electromagnético, donde la frecuencia y la amplitud pueden ser controladas. La magnitud de la carga se controla a través del voltaje. Luego de fijar un voltaje se incrementa gradualmente la frecuencia hasta obtener la respuesta máxima (cuando el sistema muestra ‐ cabezal entra en resonancia en su primer modo de vibración). La menor frecuencia para la cual la respuesta es máxima, representa la frecuencia fundamental o de resonancia de la muestra. Este procedimiento se repite para varios voltajes. El efecto de la deformación en el módulo de rigidez se obtiene variando la deformación angular. 43
Fotografía 4. Muestra del suelo residual y del Saprolito_Equipo Columna Resonante 8.3.3 Triaxial cíclico El procedimiento para la ejecución y regulación del ensayo corresponde a la designación D 3999 ‐ 91 de la ASTM que permite determinar el comportamiento esfuerzo ‐ deformación y la resistencia al esfuerzo cortante de una muestra cilíndrica de suelo cuando es sometida a cargas cíclicas. Permite determinar los módulos E (módulo de elasticidad), G (módulo de rigidez) y β (fracción de amortiguamiento crítico), la curva esfuerzo‐deformación, la resistencia y la generación de presión intersticial para niveles de deformación entre 1x10‐2% y 1%. La prueba consiste en imponer un esfuerzo desviador cíclico axial o series de carga axiales repetidas de compresión y tracción instantáneas de magnitud fija (carga controlada) o deformación cíclica (deformación controlada) sobre una muestra de suelo cilíndrica encerrada en una celda triaxial y sometida a una presión de confinamiento; las cargas cíclicas originan un cambio de dirección del esfuerzo cortante en un plano a 45°, en los procesos de carga y descarga. El ensayo se repite para varios niveles de deformación, con el propósito de determinar la variación de E y β. Para objeto de esta investigación las muestras se ensayaron en la humedad natural. El ensayo fue de deformación controlada, se ejecutó con una frecuencia de 1 Hz y se aplicaron para todas las muestras 30 ciclos de carga. 44
Fotografía 5. Muestra del suelo residual y del Saprolito _ Equipo triaxial cíclico
8.4
ENSAYOS MINERALÓGICO POST ENSAYOS DINÁMICOS En esta última etapa, se realizaron ensayos microestructurales, del tipo microscopio óptico y microscopía electrónica de barrido, en las muestras de suelo que fueron sometidas a ensayos de cargas cíclicas, con el fin de establecer cambios a nivel estructural por el efecto de la aplicación de las cargas cíclicas. 45
9
9.1
GÉNESIS DEL SUELO ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN Las muestras del suelo residual se extrajeron de apique 1 el cual se realizó a una profundidad de 4.0 m y las muestras del saprolito se extrajeron del apique 2 a una profundidad de 9,0 m. Los resultados de límites de consistencia para el suelo residual y el saprolito se grafican en la Carta de Plasticidad de Casagrande ( Tabla 11). Si bien es cierto que para entender el comportamiento del suelo es necesario clasificar la masa de suelo no solo con datos obtenido en el laboratorio, si no con base en las evidencia en el campo (Fookes, 1997; adaptado Hoyos, 2004), se reconoce la necesidad del uso racional de métodos tradicionales para identificar los suelos. Tabla 11. Resultado de Clasificación LÍMITES DE CONSISTENCIA
Límite líquido (%) Límite plástico (%) Índice de plasticidad
Pasante malla 200 (%)
Clasificación unificada
Humedad (%) SUELO RESIDUAL
APC 1 APC 2 57,00
52,00
36,00
36,00
21,00
16,00
96,28
95,46
MH
MH
29,3
27,82
SAPROLITO
APC 4 APC 5 APC 6 31,00 32,50 28,50 28,00 27,30 25,30 3,00 5,20 3,20 39,88 59,37 49,55 ML
ML
ML 15,26 25,44 18,01 En la carta de plasticidad se observa que los suelos de los perfiles de meteorización están localizados ligeramente debajo de la Línea A (ver Figura 18). Las muestras APC 1 y APC 2, que corresponden a suelos residuales son limos de alta plasticidad, mientras que las muestras APC 4, APC 5 y APC 6 (saprolito), son también limos que a diferencia de los anteriores son de baja plasticidad. Esto indica que corresponden a dos suelos diferentes dentro del perfil de meteorización, y que el suelo residual tiene mayor presencia de minerales arcillosos. Figura 18. Carta de plasticidad 46
La curva granulométrica del suelo residual y del saprolito se presenta en la grafica Figura 19 y la Figura 20 respectivamente. Figura 19. Curva granulométrica del suelo residual Figura 20. Curva granulométrica del Saprolito 47
9.2
MICROESTRUCTURA DEL PERFIL DE METEORIZACIÓN ‐ CONDICIÓN NATURAL. La diversidad de microambientes en el suelo y en los mantos de meteorización, genera diversidad mineralógica y diversas vías de formación de estos minerales (González, 2003). Para determinar las características micro‐estructurales del suelo, se realizaron ensayos de DRX, Microscopia Óptica y SEM. Difracción De Rayos X La cuantificación de los minerales presentes en la Roca, el Saprolito y el suelo residual se presenta de la Figura 21 a la Figura 23. Figura 21. Difractograma de la Roca_2Ɵ
48
Figura 22. Difractograma del Saprolito_2Ɵ
Figura 23. Difractograma del Suelo Residual_2Ɵ
49
De acuerd
do con el ressultado de esta técnica laa roca está compuesta prrincipalmentee por Cuarzo y por Moscovitaa, en el Sap
prolito persiste la existen
ncia de Cuarrzo, Moscovvita, Biotita y se empiezan a desarrollaar las Caolinitaas. Se observva que el Sap
prolito ademáás ser una etapa de transiición en cuan
nto a la estructura del sueelo, es también u
un estado intermedio entrre la mineralo
ogía presentee entre la rocca y el suelo residual, en d
donde todavía peermanecen lo
os minerales principales dee la roca, perro también see empiezan a generar minerales secundarios, derivados de la alteración de los m
minerales prim
marios más su
usceptibles. En el suelo
o residual se preserva el C
Cuarzo, se gen
neran Caolinitta y disminuyyen la Biotita yy la Moscovitta. pio Óptico Microscop
Esta técnica, además d
de corroborarr la composiciión mineralóggica obtenidaa de la DRX, p
presenta la teextura y mayor in
nformación ssobre la estru
uctura de la roca y los sueelos estudiado
os, de la Tabla 12 a la Tab
bla 14, se presentta esta inform
mación. Tabla 12. Resu
T
ultado del en
nsayo de Micrroscopio Óptico _ Roca ROCA
Minerralogía
% Minerrales Principale
es
Cuarzo Moscovita (sericita) Estilpnomeelana Cloritoide 75,0 7,0 <1 <1 Minerales Seccundarios de A
Alteración
Mica Hidraatada 13 Minerrales Accesorio
os
Minerales opacos 3,0 Descripción M
Macroscópica
Análisiss Microscópicaa
Roca metamórfica con o
orientación claara, oxidada, ccon cuarzo preedominante Textura: Lepidob
blástica oxidadas de predominantee. También textura t
y mica seriicita; color griss verdoso (5GYY 6/1, con venillas y áreas o
color café ((5y 6/4). Tamaaño de grano m
menor de 1 mm
m. granoblástica.. Fotografía 6. Imáge
enes del Microscopio Óptico _ Roca (Au
umento de 10
0x) 50
Tab
bla 13. Resulta
ado del ensayyo de Microsscopio Óptico
o_ Saprolito. SSAPROLITO
Minerrales Principale
es
Fragmento
os Cuarzo %
44,0
42,0
Mica Tr Circón Plagioclasaa Descripción Macroscópicca Tr
Tr
% 56,0
27,0
Matriz
Arcillas
Limonitaa (Óxido de hierro
h
hidratad
do amorfo) Materia Orgánica
29,0 Tr Análisiss Microscópica
maño de grano
o promedio: 0,,2 mm Textura: Clástica, tam
Suelo alterrado de colore
es café claro (5yr (
5 / 6) a ccafé do hasta tam
maños hasta de 0,4 mm
m. Mal alcanzad
moderado (5yr 4/4) con venillass de espeso
ores seleccio
onada y de d
formas subangularees a os de materia orgánica, oxid
dada, deleznable, milimétrico
subredo
ondeados. Estrructura: Hay liigera orientación de tamaño areena. granos p
pero no es estrratificación. Fotografíía 7. Imágene
es del Microsscopio Óptico
o _ Saprolito ((Aumento dee 10x) 51
Tabla 14. Resultado del ensayo de Microscopio Óptico_ Suelo Residual. SUELO RESIDUAL
Minerales Principales
Fragmentos Cuarzo Plagioclasas Fragmentos de Roca Minerales Opacos %
% 7,0
Matriz
93 4%
Aspecto masivo, color rojizo, aunque con luz reflejada 2%
es de color amarillo, lo que implica que su composición Tr
predominante es limonita. Tr
Descripción Macroscópica
Suelo residual rojizo amarillento (5YR 6/4), arcilloso, masivo.
Fotografía 8. Imágenes del Microscopio Óptico _ Suelo Residual (Aumento de 10x) De acuerdo con lo observado en el microscopio óptico, se tiene que la roca es metamórfica con orientación clara, oxidada, con cuarzo predominante. El saprolito se define como suelo color café claro de tamaño de arena con un contenido importa de fragmentos de cuarzos y el suelo residual es masivo y de matriz arcillosa. En la roca el porcentaje de fragmentos (cuarzo, moscovita) es del 75%, en el saprolito es del 44% y se genera una matriz que corresponde al 56% (arcillas y limonitas) y en el suelo residual el porcentajes del fragmentos es del 7% y el de matriz del 93%. Microscopio Electrónico de Barrido En observaciones que se hicieron de la roca mediante esta técnica, se destaca en la Fotografía 9 (izquierda), que los minerales de cuarzos presentan fracturas y grietas. La fotografía derecha corresponde al mineral que sirve de relleno a las venillas, estos minerales tienen una estructura laminar, son altamente fracturados y empiezan a desarrollar alteración. 52
Fotografía 9. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Roca En el Saprolito se observa la alteración de los minerales moscovíticos. Sin embargo, se conservan fragmentos de cuarzo que al igual que en la roca presentan fisuras en orden aleatorio como se muestra en la Fotografía 10 izquierda. También existe la laminación de los minerales moscovíticos y la presencia de alteraciones de los mismos. Fotografía 10. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Saprolito Con la técnica de microscopio electrónico de barrido se realizaron además, análisis químico de puntos precisos de algunas muestras como la que se muestra en la Fotografía 11, que corresponde a una fotografía del Saprolito. De acuerdo con este análisis químico el suelo está compuesto por silicio, aluminio, hierro y potasio, que forman compuestos como el Cuarzo, así como los óxidos de hierros y de aluminio, también se observan compuestos feldespáticos. 53
Elemento Peso % O K Al K Si K K K Fe K Total 42.24 17.26 23.65 1.95 14.91 100.00 Atomico % 59.48 14.41 18.97 1.12 6.01 Minerales SiO2 Al2O3 SiO2 Feldespato Hierro Fotografía 11. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Análisis Químico_ Saprolito A ún nivel más detallado en el suelo residual, en la Fotografía 12 ‐ izquierda se observa una gran alteración mineralógica que compone gran parte de la estructura del suelo, así como minerales opacos . En la Fotografía 12 derecha se observan fragmentos de cuarzo visiblemente fracturados. Fotografía 12. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Suelo Residual El análisis químico del punto que se indica en la microfotografía 12 del suelo residual muestra la presencia también de los minerales que se hace referencia arriba. Sin embargo, se observa que la presencia del aluminio disminuye, pero el cuarzo y la sílice permanecen como los elementos de mayor componente del suelo. La presencia de silicio y elementos como el aluminio y el calcio dan origen a compuestos fedelpásticos. 54
Elemento Peso % O K Al K Si K Fe K Total 55.28 17.09 20.78 6.86 100.00 Atomico % 69.78 12.79 14.94 2.48 Minerales SiO2 Al2O3 SiO2 Hierro Fotografía 13. Imágenes del Microscopio Electrónico _ Análisis Químico _ Suelo Residual En ambientes tropicales, dominados por temperaturas altas y cambiantes y por lluvias abundantes, la meteorización de los materiales es muy fuerte, caracterizándose por la descomposición rápida de feldespatos y minerales ferro‐ magnesiano, la concentración de óxidos de hierro y aluminio y la remoción de Sílice y de las bases Na2O ‐ K2O‐ CaO y MgO (Gidigasu‐1972). Los feldespatos se meteorizan inicialmente a Caolinita, Óxidos de Hierro y Óxidos de Aluminio y los compuestos más resistentes como las partículas de Mica y Cuarzo permanecen. El párrafo anterior describe de una manera muy sucinta el perfil de meteorización objeto de este estudio. Debido a la composición mineralógica y foliación de la roca se concluye que los suelos de este estudio corresponden al resultado de la meteorización de los Esquistos Micáceos. 55