Consideraciones sobre suelos orgánicos y turbas

XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003
Capítulo De Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú
CONSIDERACIONES SOBRE LA COMPRESIBILIDAD
DE SUELOS ORGÁNICOS Y TURBAS
Diana L. Calderón(1), Carlos M. Livia(1) y Zenón Aguilar(2)
1.
INTRODUCCIÓN
Los suelos orgánicos y en especial las turbas, caracterizados por su gran compresibilidad,
presentan un comportamiento particular representando un gran problema a la ingeniería. Si
bien es cierto, es un procedimiento común el evitar el uso de estos suelos como materiales de
construcción, esto generalmente ya no es posible cuando se trata de utilizar dichos suelos con
fines de cimentación, sobretodo en países donde el costo del terreno es un factor
condicionante. En consecuencia, en estos casos se requiere adoptar soluciones ingenieriles
para el uso racional de estos suelos como material de fundación.
En el presente artículo se hace una revisión de los métodos que se vienen utilizando para
determinar las propiedades ingenieriles de los suelos orgánicos, particularmente aquellas
relacionadas con su compresibilidad. Se analiza la aplicación de la teoría de consolidación a
estos tipos de suelos, y se presentan ensayos de consolidación realizados en muestras de
suelos orgánicos obtenidas en la exploración geotécnica para la cimentación del Puente
Yuracyacu, en el departamento de San Martín, así como en los proyectos de Investigación
para Suelos Orgánicos y de cimentación para el Intercambio Vial Norte y un albergue en el
Callao, ambos en el departamento de Lima.
El objetivo principal de este estudio es comparar los resultados obtenidos de la aplicación del
Método de Consolidación Unidimensional y el Método de Consolidación por Cambio de
Fases, en especial para las turbas. Debido a la poca información existente para la evaluación
de dichos parámetros de estos suelos especiales, esperamos que este artículo sirva para
promover una mayor investigación en esta área de la ingeniería geotécnica.
Para lograr este objetivo se desarrollan los siguientes tópicos:
a.
Análisis del comportamiento y de las propiedades físico mecánicas de los suelos
orgánicos y de la turba.
b.
Análisis del grado de validez de la teoría de consolidación unidimensional en los suelos
orgánicos y turbas.
(1)
(2)
Asistente de Investigación del CISMID, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería.
Sub Director Académico del CISMID, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería.
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Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 - 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]
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1
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c.
Consideraciones del Método de Consolidación por Cambio de Fases para la
determinación del asentamiento total en turbas.
2.
MÉTODO DE CONSOLIDACIÓN UNIDIMENSIONAL APLICADO A SUELOS
ORGÁNICOS
Al aplicar esta teoría convencional a la turba, se presentan dos desviaciones principales de las
suposiciones hechas para suelos minerales, las cuales son:
o la compresibilidad de los sólidos, y
o el cambio en la permeabilidad bajo las cargas aplicadas.
Estas dos anomalías de los materiales orgánicos son los responsables de las diferencias
significativas en el comportamiento de la consolidación de la turba y los suelos minerales,
(Ref. 1).
Según la teoría de Terzaghi, la consolidación de un suelo termina cuando el exceso de presión
intersticial se disipa por completo, sin embargo, existen asentamientos marginales que son
conocidos como consolidación secundaria.
En los suelos orgánicos y en la turba este
comportamiento es diferente y una curva típica de asentamiento versus tiempo permite
analizar dicho comportamiento de la turba con la teoría de consolidación convencional. La
compresión inicial ocurre en un período de tiempo muy corto, seguido por una etapa de
compresión a “largo plazo”, que es lineal con el logaritmo del tiempo (Ref. 2). La disipación
de presión de poros en las turbas está asociada con una etapa rápida o inicial.
Este
comportamiento de las turbas se ha encontrado también en el campo, observándose una
disipación rápida de la presión de poros. Si bien es cierto se puede inferir que esta etapa
inicial es análoga a la consolidación primaria, y la etapa de compresión a largo plazo a la
consolidación secundaria, la gran magnitud y la corta duración de esta primera etapa y la
compresión continua a largo plazo son las principales diferencias con el comportamiento de
los suelos minerales.
En consecuencia, la aplicación de la teoría de consolidación
convencional a las turbas parece no estar garantizada.
En las turbas, debido a su alta porosidad, el estado de consolidación primaria se desarrolla en
un corto tiempo, produciéndose grandes asentamientos.
Por otro lado, debido a la
compresibilidad de la materia orgánica, el estado de compresión secundaria tiene lugar en un
largo período de tiempo y es continuo. En este tramo de la curva se puede definir al
coeficiente de compresión secundaria, como la pendiente de la curva, la cual tiende a ser
lineal.
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Alguno de los factores que pueden llevar a resultados erróneos en la consolidación son la no
homogeneidad de la masa turbosa, el efecto de los estratos adyacentes, las deformaciones por
corte, y el contenido de gas en la muestra.
En consecuencia la evaluación de los
asentamientos de estratos turbosos deberán considerar adecuadamente estos comportamientos
anómalos de compresibilidad de estos materiales.
2.1
ASENTAMIENTOS POR CONSOLIDACIÓN PRIMARIA
El tramo virgen de la curva de compresibilidad e–log p de muchas turbas fibrosas, no pueden
ser representadas por una línea recta (Ref. 3). Por el contrario, para estimar el asentamiento
por consolidación primaria en estos materiales, se ha propuesto utilizar la curva log(e) –
log(p), que presenta un comportamiento lineal.
De esta curva se define el índice de
compresión logarítmico Cc , como sigue:
Cc = ∆(log e ) / ∆(log p )
(1)
Usando el índice descrito, para una capa de turba normalmente consolidada de espesor H, con
relación de vacíos eo, y presión de confinamiento p, el asentamiento por consolidación
primaria de la turba S0, bajo la presión aplicada ∆ p puede ser calculado como sigue:
e
S0 = H ⋅ 0
1 + e0
  p + ∆p  − C c 
 
⋅ 1 − 
  p  
(2)
Los valores de Cc están influenciados por la relación de vacíos natural. Generalmente, los
valores de Cc están entre 0.3 y 0.5, y se irá incrementando de acuerdo a la relación de vacíos
natural (Ref. 4).
2.2
ASENTAMIENTOS POR COMPRESIÓN SECUNDARIA
El coeficiente de compresión secundaria Cα es expresada como la pendiente de la curva de
asentamiento, deformación ε, o relación de vacíos e versus el logaritmo del tiempo, y viene
dado por la siguiente relación:
Cα = ∆e / ∆(log t )
(3)
El valor de Cα se incrementa con la presión para pequeñas cargas de consolidación, pero
decrece o se mantiene sin variación pasado cierto valor de presión.
El asentamiento por compresión secundaria Ss puede ser calculado mediante la siguiente
ecuación:
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Ss = H ⋅
Cα
t
⋅ log10
1+ e
t0
(4)
Donde: Ss es el asentamiento ocurrido en el intervalo de tiempo to a t, H es el espesor del
estrato de turba y Cα es el coeficiente de compresión secundaria expresada en términos de
cambios de relación de vacíos.
Los mecanismos físicos que originan la compresión secundaria no están claramente
entendidos todavía, pero existe considerable evidencia que sugiere que Cα no es un
parámetro constante del suelo. La precisión de los valores asignados a Cc y Cα es el principal
factor que gobierna la precisión de los asentamientos estimados.
Lo mejor que se puede esperar, en el marco de este conocimiento muy superficial, es que el
análisis de asentamiento basados en valores de Cc y Cα obtenidos de ensayos de laboratorio,
dará solo una cruda aproximación de las magnitudes de los asentamientos esperados.
3.
MODELO DE CONSOLIDACIÓN POR CAMBIO DE FASE
En este modelo se asume que la turba posee dos tipos de poros, uno exterior al cuerpo
orgánico llamado “Macroporo” y otro interior al cuerpo orgánico llamado “Microporo”(Ref.
5); por lo tanto considera que el cuerpo orgánico es compresible.
Para aplicar este método, la curva de compresibilidad de la turba, que se muestra en la Figura
1 (a), es simplificada a la forma indicada en la Figura 1 (b). Entre el punto B’ y C’ se puede
apreciar una disminución de volumen expresada por la trayectoria desde e0 a em. Esta
disminución de volumen es ocasionada debido a la perdida de agua en los macroporos y se ha
denominado a este proceso “Consolidación por Macroporos (MAC)”. Entre los puntos B’ y
C’ de la Figura 2 , la fase intermedia de la turba describe un comportamiento lineal para
esfuerzos mayores a σy’. El proceso de consolidación de C’ a D’ es atribuido a la materia
orgánica en sí como resultado de la pérdida de agua de los poros interiores. El proceso que va
de C’ a D’ es llamado “Consolidación por Microporos (MIC)”.
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A´
A ( σ ´0 e0)
B´( σ y , e 0)
Relación de vacíos e
Relación de vacíos e
B (σ y , ef )
C
C´ ( σ y , em)
D´( σ t , et )
D (σ f ef )
∆σ
∆σ
Esfuerzo σ
Esfuerzo σ
(a)
(b)
Figura 1:
Curva de Compresibilidad de un suelo turboso, (a) Ensayo y
(b) Modelo
Para el análisis del proceso de consolidación por Macroporos (MAC), se considera una turba
cuya curva de compresibilidad es la mostrada en la Figura 1 (b). Asimismo este proceso
asume que el esfuerzo efectivo inicial de la turba sobre-consolidada es σ0’, y el incremento
del esfuerzo efectivo ∆σ’ es aplicado en la superficie, tal que después que la consolidación
primaria ha ocurrido, el esfuerzo efectivo final para el estrato de turba es σf’.
Simultáneamente a la aplicación de la carga, la turba comenzará el proceso MAC desde eo a
em y la capa de turba consolidada por el proceso MAC cambiará a la fase intermedia con una
relación de vacíos em.
Superficie Inicial
σ' f
0
uy
S1
em
σ'
Z1
u
Fase Intermedia
e = e m ~ ef
H
Interfase
u = uy
Fase Original
e = eo
(a) Perfil del Suelo
Figura 2:
(b) Exceso de presion de poros
Distribución del exceso de presión de poros en el perfil del
suelo
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La Figura 2 muestra las condiciones para un tiempo t después de la aplicación del incremento
de esfuerzo ∆σ’. Debido a que el agua contenida en los poros será expulsada de la turba por
la compresión de la zona de fase intermedia, así como de la interfase, el exceso de presión de
poros en la fase intermedia se aproximará a una distribución parabólica, como se muestra en
esta figura.
En la fase inicial, la turba posee una relación de vacíos eo por debajo de la interfase. El
exceso de presión de poros se mantendrá constante en valor (µy) hasta que la interfase alcance
el punto en que la presión de poros comience a disminuir. Este hecho contrasta con el modelo
de consolidación unidimensional que obedece a un comportamiento lineal, en el cual el
exceso de presión de poros comienza a disminuir continuamente después de la aplicación del
esfuerzo.
La consolidación por Microporos comprende dos etapas, basadas en asumir una distribución
parabólica del exceso de presión de poros. La primera corresponde a una consolidación
simultánea al proceso por Macroporos hasta que este proceso termina (t ≤ tf), y la segunda
etapa al desarrollo exclusivo de la consolidación por Microporos (t ≥ tf).
3.1 ASENTAMIENTO DEBIDO A CONSOLIDACIÓN POR MACROPOROS (MAC)
La velocidad con que la interfase Z1 avanza puede obtenerse mediante el cálculo del
gradiente hidráulico en la superficie del suelo, basada en la ecuación de continuidad entre el
agua expulsada y la relación de vacíos.
El asentamiento debido a este proceso viene dado por la ecuación (5) como resultado de
determinar la velocidad de traslación de la interfase. Se asume además que la presión de
poros µy es constante debido a que el esfuerzo ∆σ’es aplicado rápidamente.
 4 ⋅ k ⋅ µy ⋅ t ⋅ ∆V 
S1 = 

 γw ⋅ (1 − ∆V ) 
1/ 2
(5)
donde t = tiempo; ∆V = volumen de agua desalojado por unidad de volumen de la turba en
condiciones iniciales, debido a la variación de la relación de vacíos desde eo hasta em,
∆V =
e0 − em
; k = coeficiente de permeabilidad; µy = exceso de presión de poros; y γw = peso
1 + e0
unitario del agua.
Para el asentamiento superficial final desarrollado debido al proceso MAC se tiene
S1f = ∆V*H, donde H es la potencia del estrato analizado. Por lo tanto, el tiempo tf para el
cual la interfase alcanza la parte inferior del estrato de turba será:
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tf =
γw ⋅ (1 − ∆V ) ⋅ ∆V ⋅ H 2
4 ⋅ k ⋅ µy
(6)
3.2 ASENTAMIENTO DEBIDO A CONSOLIDACIÓN POR MICROPOROS (MIC)
Este proceso corresponde a la fase intermedia que va desde la relación de vacíos em hasta ef, ,
el cual contribuye a incrementar el asentamiento superficial. Para este proceso se asume como
parabólica la distribución del exceso de presión de poros, lo cual brinda un grado de exactitud
razonable. Basado en esta distribución se debe distinguir dos estados en el proceso de
consolidación por Microporos (MIC).
3.2.1 PROCESO MIC PARA t ≤ tf
El asentamiento final en este proceso ocurre cuando el exceso de presión de poros llega a ser
cero en todo el estrato, lo cual se produce hasta el tiempo tf . La ecuación viene dada por:
S2f =
av
⋅ µy ⋅ (1 − ∆V ) ⋅ H
1 + em
(7)
donde av es el coeficiente de compresibilidad y se define como av = (em-ef)/(σf -σy)
3.2.2 PROCESO MIC PARA t > tf
Usando la ecuación de la parábola que describe el exceso de presión de poros y haciendo uso
del equilibrio entre la velocidad de asentamiento y la velocidad de flujo del agua, el
asentamiento superficial S2 después de un tiempo t > tf viene dado por:
S2 =
av ⋅ µy ⋅ (1 − ∆V ) ⋅ H
1 + em
 2
 3 eo − em

⋅ 1 − exp ⋅
− 3 ⋅ Tv  
 4 em − ef

 3
(8)
En consecuencia, según el modelo de consolidación por cambio de fases, durante el proceso
MIC, un tercio del asentamiento ocurre antes de ser completado el proceso MAC, y los dos
tercios restantes luego de que éste haya sido completado. Finalmente el asentamiento total S
será S=S1+S2.
4.
RESULTADOS
Se ha calculado primero el asentamiento mediante el método de consolidación
unidimensional, analizando la consolidación primaria y secundaria en los suelos que
desarrollaron las dos etapas mencionadas. Las Propiedades encontradas en estos suelos se
muestran en la Tabla 1. De las curvas de consolidación mostradas en la Figura 3 se ha
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obtenido el parámetro (Cα) para el cálculo del asentamiento por consolidación secundaria.
Los resultados se indican en la Tabla 2.
Seguidamente se calculó el asentamiento usando el método de consolidación por cambio de
fase. El primer paso requerido por este análisis es graficar la relación de vacíos(e) versus
carga aplicada (Kg/cm2), para luego modelarlas (Figura 4) y obtener los parámetros
necesarios para el cálculo del asentamiento por consolidación primaria y secundaria, como se
muestra en la Tabla 3. Propiedades de las muestras de Suelo Orgánico
Tabla 1. Propiedades de las muestras de Suelo Orgánico
Tiempo
deConsolidacion
(dias)-Cargado
Yuracyacu - Rioja
18
Intercambio Vial 1 - Callao
84
Intercambio Vial 2 - Callao
82
Albergue en el Callao 1
119
Albergue en el Callao 2
202
Muestra
Procedencia
M1
M2
M3
M4
M5
w (%)
Gs
e0
Cc
144.14
180.79
181.56
387.5
656.7
1.88
1.75
1.75
1.33
1.27
2.647
3.335
3.375
5.515
8.319
0.85
2.178
2.249
3.575
4.963
Tabla 2: Resultados de Asentamientos por Consolidación Unidimensional
Muestra
M1
M4
M5
Asentamiento por Consolidación (cm)
Primaria
Secundaria
Total
25.47
14.600
40.07
44.20
4.98
49.19
42.90
N.D.
42.90
Procedencia
Yuracyacu - Rioja
Callao 1
Callao 2
Tiempo (min)
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
0
Carga:
6.4Kg/cm2
Deformación (mm)
0.5
Cα= 0.12
1
1.5
A
(5775,1.715)
2
B
(69095,2.11)
2.5
(a)
Tiempo (min)
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
Deformación (mm)
0
Carga:
6.4Kg/cm2
0.5
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(30, 0.765)
1
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B
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Cα= 0.038
Figura 3:
Curvas de Consolidación.
(a)
(a) Muestra M1, (b) Muestra M4
(c)
(b)
6.00
2.90
2.70
9.00
B
(0.4 ,
5.437)
5.00
B
(0.4, 2.62)
B
(0.4 , 8.32)
8.00
7.00
C
(0.4, 2.25)
2.10
1.90
D
(6.4 ,
1.812)
1.70
Relación de Vacíos (e)
2.30
Relación de Vacíos (e)
Relación de Vacíos (e)
2.50
4.00
C
(0.4 , 2.9)
3.00
2.00
D
(6.4 ,
1.601)
2
3
4
5
6
C
(0.4 , 3.2)
3.00
D
(3.2 ,
1.801)
1.00
7
0.00
0.0
Carga Aplicada (kg/cm2)
Figura 4 :
4.00
2.00
0.00
1
5.00
1.00
1.50
0
6.00
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
Carga Aplicada (kg/cm2)
7.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
Carga Aplicada (kg/cm2)
Curvas de Compresibilidad (a) Muestra M1, (b) Muestra M4, (c) Muestra M5
Tabla 3: Resultados de Asentamientos de Consolidación por Fases
Muestra
M1
M4
M5
5.
Procedencia
Yuracyacu - Rioja
Callao 1
Callao 2
Asentamiento por Consolidación (cm)
MIC
MAC
Total
t<=tf
t>tf
10.886
12.010
24.020
34.91
40.138
19.939
39.877
80.02
52.785
17.158
34.317
87.10
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
-
Al comparar los asentamientos calculados mediante los métodos anteriormente descritos
se ha encontrado que existe una notable diferencia. Los asentamientos hallados por el
método de consolidación por fases exceden en casi 100% a los asentamientos calculados
por la teoría de consolidación unidimensional en el caso de las muestras M4 y M5. La
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muestra M1 no obedece a lo mencionado anteriormente y podría deberse a la
composición orgánica del suelo, el tiempo de ensayo y la precisión al calcular el
coeficiente de consolidación secundaria.
-
Solo tres especimenes de los cinco ensayados presentan una curva de compresibilidad
acorde con el nuevo método analizado, lo cual podría ser por el tiempo de ensayo que no
permitió que la curva se desarrolle lo suficientemente para ser procesada por este método,
o al mayor contenido de suelo mineral en la muestra.
-
Si bien en esta investigación no se ha realizado un monitoreo del asentamiento en
campo, los valores de asentamiento calculados por el método de consolidación por fases
se ajustan más a los asentamientos observados in situ, tal como lo reporta Kogure (1993,
Ref. 1).
6.
CONCLUSIONES
-
Una de las más notables diferencias en la compresión de la turba o suelos orgánicos es su
etapa de compresión a largo plazo, lo cual parece ser un proceso continuo.
-
La teoría de consolidación unidimensional aplicada a suelos orgánicos y turbas puede
conllevar a estimaciones erróneas de los asentamientos esperados, por lo cual las
magnitudes de asentamientos determinadas con parámetros de compresión obtenidos en
el laboratorio se deben de considerar como referenciales.
-
Para la comparación del método de consolidación unidimensional y el método de
consolidación de cambio de fase, se han seleccionado 03 de las 05 muestras ensayadas,
debido a que aquellas se aproximan mejor a la curva relación de vacíos versus carga
aplicada que es planteada en el método de cambio de fase.
-
El Método de Consolidación por Fases sugiere una manera mas precisa de calcular el
asentamiento total considerando que la turba posee una alta compresibilidad durante la
etapa de la consolidación primaria, debido a la rápida disipación del exceso de presión de
poros. Se desarrollan dos etapas de consolidación simultáneas: el proceso MAC, que
considera el flujo de agua desde los poros exteriores de la masa orgánica y el proceso
MIC, que considera el flujo de agua desde los poros interiores.
-
Al comparar los asentamientos totales mediante ambos métodos se observa que los
asentamientos obtenidos por el método de cambio de fase son considerablemente
mayores que los obtenidos por el método convencional. Partiendo que el método de
cambio de fase contempla un análisis mas detallado al estudiar la estructura del suelo
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orgánico cualitativamente, se pude concluir que el método de consolidación
unidimensional no representa adecuadamente al comportamiento del suelo orgánico
debido a que fue originalmente conceptuado para el análisis de la consolidación en suelos
minerales.
-
Se recomienda realizar mayor investigación tanto en laboratorio como la verificación en
campo del método de consolidación por fases, para determinar el grado de validez de éste
y así poder usarlo para dar soluciones ingenieriles a los problemas que los suelos
orgánicos plantean.
7.
REFERENCIAS
1)
Kogure, K. (1998), “Consolidation, Settlement of Peat Under Loading”, Special
Lecture, International Symposium on Problematic Soils, Tohoku, Sendai, Japan.
2)
Matsuo, K. (1986), “On the Relationships between Compression Index and Physical
Properties Expressed Logarithmic Strain”, Soils and Foundations. 26 – 3, Pg. 177-185.
JGS.
3)
Kogure, K., Yamaguchi, H., Ohira, Y. y Ono, H. (1986), “Experiments on
Consolidation Characteristics of a Fibrous Peat”, Proc. of Advances in Peatland Eng.,
Pg. 101-108. NRCC.
4)
Hibino, T., Yamaguchi, H. y Kogure, K.(1989), “ Compression Characteristics of
Highly Organic Soils”. Proc. of Symp. of Highly Organic Soils”, pg. 19-28, JGS.
5)
Kogure, K., Yamaguchi, H., y Shogaki, T (1993), “Physical and Pore Properties of
Fibrous Peat Deposit”, Proc. of 11th Southeast Asian Geotechnical Conf. Pg. 135-139.
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