LA INFLUENCIA DE LA COMPACTACIÓN SOBRE LA SUCCIÓN MATRICIAL EN UN SUELO TROPICAL

THE INFLUENCE OF COMPACTION ON THE MATRIC SUCTION IN A TROPICAL SOIL

LUIS JAVIER ESCOBAR TORO Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, Maestría en Ingeniería – Geotecnia SERGIO ESTEBAN ROSALES GARZÓN Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, Maestría en Ingeniería – Geotecnia YAMILE VALENCIA GONZÁLEZ Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, Escuela de Ingeniería Civil, Profesora asociada

RESUMEN

El estudio del comportamiento de los suelos no saturados ha sido objeto de numerosos trabajos de investigación en

las últimas décadas, debido a las dificultades para la aplicación de la mecánica de suelos tradicional a los

problemas geotécnicos que se plantean en este tipo de material, típico de regiones de clima tropical.

A pesar de existir algunos trabajos publicados sobre este tema, aún falta información sobre diversos aspectos de

estos materiales que pueda contribuir a un mejor entendimiento del comportamiento que presentan. Con el ánimo

de contribuir en este tema, el presente trabajo busca analizar el comportamiento de la succión en un suelo

compactado y comparar estos resultados con la succión que presenta el mismo suelo en estado inalterado.

ABSTRACT

The study of the behavior of unsaturated soils has been the subject of numerous research papers in recent decades,

due to difficulties in the application of traditional soil mechanics to geotechnical problems encountered in this soil

type, which is characteristic of tropical climates.

Although there are some papers published on this subject, we still lack information on various aspects of these

materials that can contribute to a better understanding of the behavior they exhibit. With the aim of contributing to

this issue, this research analyzes the behavior of suction in a compacted soil and compares these results against the

suction of undisturbed specimens from the same soil.

1. INTRODUCCIÓN

Colombia está ubicada en una región tropical, es decir se encuentra ubicada dentro de los paralelos 30°N y 30°S de latitud; por tal motivo presenta suelos comúnmente denominados como suelos tropicales. El basamento rocoso de estas regiones está constituida por una capa de alteración, normalmente espesa y de color rojo o amarilla, la cual puede clasificarse como suelos lateríticos o no lateríticos. (Valencia, 2009).

En el presente trabajo se analiza la variación de la succión en un suelo compactado, calculando la curva característica o de retención de humedad, para la humedad típica del suelo en la rama seca, en la rama húmeda y en la humedad óptima, de la curva del Proctor modificado. Las pastillas para determinar estas curvas características son obtenidas de los moldes usados para el cálculo del proctor modificado del material, de acuerdo a lo indicado en la norma I.N.V.E. 142-07 Relaciones de humedad – Masa unitaria seca en los suelos. (Ensayo modificado de compactación). El trabajo experimental comenzó con la toma de muestras alterada e inalterada en la cantidad suficiente para

realizar los ensayos de laboratorio, para la muestra inalterada se extrajo un bloque cilíndrico de aproximadamente 6`` de diámetro y 7`` de altura, una vez recortado se empaco cuidadosamente y recubierto con cera para tratar de preservar al máximo la humedad natural del suelo, luego en el laboratorio se tallaron del bloque inalterado 9 pastillas con la ayuda de anillos de PVC de diámetro 38,1 mm y 20 mm de altura. Con estas pastillas se procedió a desarrollar la metodología de trabajo habitual en la técnica del papel filtro, cabe anotar acá que el papel filtro utilizado fue Whatman N° 42.

Este método se basa en que un suelo con cierta humedad, cuando está en contacto con un papel filtro de una humedad menor, hace que este último absorba una cierta cantidad de agua del suelo hasta que el sistema entre en equilibrio, hay una relación entre la succión y la humedad del papel filtro y puede ser obtenida por la curva de calibración (Marinho, 1995).

Para humedades de papel filtro > 47%, la succión (kPa) = 10(6.05-2.48*log w) (1)

Para humedades de papel filtro ≤ 47%, la succión (kPa) = 10(4.84-0.0622* w) (2)

Finalmente conociendo la humedad de cada papel se tiene la succión de todas las pastilla y graficando estos datos se logro la curva característica deseada del material.

Aplicando el mismo procedimiento explicado arriba, se elaboro la curva característica del mismo material pero esta vez después de compactado siguiendo un procedimiento estandarizado (ASTM D-1557), y realizando la técnica del papel filtro en cada zona seleccionada como representativa de la curva de compactación a saber: rama humedad, rama seca y punto óptimo, para finalmente comparar resultados y presentar conclusiones.

Foto 1. Etapas de pesado y secado de los papeles filtro en el laboratorio de carbones de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín.

El trabajo realizado busca determinar la succión de un material y su influencia en el comportamiento de un suelo tropical compactado, para su uso posterior en las etapas de diseño y construcción de pavimentos.

Con el fin de enfocar racionalmente el diseño de las obras en las que el empleo de los suelos compactados es frecuente, es necesario continuar con la sistematización de la información disponible sobre ellos para poder predecir con suficiente aproximación su comportamiento.

Los suelos compactados son suelos no saturados artificiales. Se pueden estudiar, por lo tanto, como suelos parcialmente saturados y aplicarles los conocimientos que de estos suelos se tiene. Intervienen en el tratamiento del problema todas las consideraciones que se hacen para los suelos no saturados, como por ejemplo:

• Inclusión de la succión en las trayectorias de esfuerzos, dada la influencia que esta variable tiene sobre el comportamiento del suelo.

• Imposibilidad de aplicar el principio de los esfuerzos efectivos de la manera en que se hace para los suelos saturados.

• Expansión considerada como un aumento de volumen generado cuando se inunda el suelo bajo una presión aplicada, y colapso considerado como una reducción de volumen causada cuando se inunda el suelo bajo las mismas condiciones.

Es un objetivo importante conseguir la eliminación o por lo menos la reducción a un

mínimo de los fenómenos de expansión y colapso, sin consecuencias negativas para la estructura que se considera.

Para ello es necesario conocer cuáles son las condiciones más adecuadas con las que se ha de compactar un suelo, es decir cómo se deben controlar las siguientes variables, con el fin de obtener una estructura estable frente a las presiones aplicadas y a la presencia del agua en la misma:

• Contenido de agua de compactación • Nivel de energía de compactación que se

entrega al suelo • Método de compactación que conviene

emplear

Hasta el momento, no se ha desarrollado un marco general que abarque el problema de forma completa, sino que existen referencias puntuales a casos estudiados, pero los resultados de las experiencias de distintos autores permiten hacer varias generalizaciones (Balmaceda, 1991):

• Los suelos que se compactan por la rama seca de la curva de compactación (humedades

menores que la óptima), experimentan colapsos con mucha frecuencia.

• Los suelos que se compactan por la rama húmeda de la curva de compactación (humedades mayores que la óptima), en general no colapsan.

• Un suelo que ha sido compactado en determinadas condiciones puede sufrir expansión o colapso según sea la presión aplicada al mismo cuando se le inunda.

2. MARCO TEÓRICO

2.1 Compactación CBR

El ensayo de C.B.R. (ASTM D 1883) mide la resistencia al corte (esfuerzo cortante) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas. Denominado Relación de Soporte de California (California Bearing Ratio).

Tabla 1. Clasificación de suelos para Infraestructura de Pavimentos (BAÑÓN L., BEVIÁ JF., 2000)

CBR CLASIFICACIÓN GENERAL

USOS SISTEMA DE CLASIFICACIÓN

UNIFICADO AASHTO

0 - 3 Muy pobre Subrasante OH, CH, MH, OL A5, A6, A7

3 - 7 Pobre a regular Subrasante OH, CH, MH, OL A4, A5, A6, A7

7 - 20 Regular Sub-base OL, CL, ML, SC

SM, SP A2, A4, A6, A7

20 - 50 Bueno Base subbase GM, GC, W, SM

SP, GP A1b, A2-5, A3 A2-6

> 50 Excelente Base GW, GM A1-a, A2-4, A3

Este método de prueba se emplea para evaluar la resistencia potencial de materiales de subrasante, subbase y base, incluyendo materiales reciclados para empleo en pavimentos de carreteras y pistas de aterrizaje. El valor de CBR obtenido en esta prueba forma parte integral de varios métodos de diseño de pavimentos flexibles.

El número CBR se obtiene como la relación de la carga unitaria en Kilos/cm2 (libras por pulgadas cuadrada, (psi)) necesaria para lograr una cierta profundidad de penetración del pistón (con un área de 19.4 centímetros cuadrados) dentro de la muestra compactada de suelo a un contenido de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrón requerida para obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de material triturada, en ecuación, esto se expresa:

(3)

El ensayo de CBR se utiliza para establecer una relación entre el comportamiento de los suelos principalmente utilizados como bases y subrasantes bajo el pavimento de carreteras y aeropistas, ver una clasificación típica en la tabla 1.

2.2 Las fuerzas superficiales y la succión

Entre las fases aire-agua-suelo se producen contactos donde se desarrollan una serie de fuerzas de atracción y repulsión, cuyo origen es gravitatorio o eléctrico. En las zonas de contacto entre fases se combinan las fuerzas de cohesión propias de cada fase, y las fuerzas de adhesión entre fases distintas. En un suelo no saturado ocurre en las interfases agua–partículas, aire–partículas, aire– agua y aire–agua–partículas. De los cuatro, los contactos aire-agua y aire-agua-partículas son los más importantes.

Las moléculas de agua en el interior de fluido se ven sometidas a unas fuerzas de atracción isótropas, en todas las direcciones, por las moléculas que las rodean, pero en la superficie del fluido no es así, ya que solo existen la mitad de moléculas que rodea a las demás. Esta falta de atracción en la otra dirección produce una descompensación y por lo tanto, una fuerza neta hacia el interior de fluido sobre las moléculas que

se encuentran en la superficie. Entonces, el agua tiende a tener la mínima superficie en contacto con el aire, y en cada punto, la fuerza resultante sobre las partículas es perpendicular a esa superficie. Este efecto produce que la superficie resultante sea semiesférica, y se llama menisco.

La relación entre el radio de curvatura del menisco y la diferencia de presión entre las fases de agua y aire viene dada por la ley de Jurin (1718):

(4)

y son la presión de aire y de agua respectivamente, σ es la tensión superficial en la superficie de contacto entre fases agua-aire, y θ es el ángulo en el enlace entre el menisco y la partícula sólida.

Se puede observar que en el menisco la presión de agua es inferior a la presión de aire, y esta diferencia, es más grande cuanto más pequeño es el radio r. Si se toma como presión de referencia (el cero) la presión atmosférica, implica que la presión de agua entonces es negativa. Schofield (1935) fue el primero en usar el término “succión” del suelo para representar una “deficiencia” de la presión de agua en los poros de algunos suelos no saturados, los cuales podían absorber agua a presión atmosférica si se les añadía. El término succión define el estado de esfuerzos en el interior de un suelo que se produce por las fuerzas de superficie, capaces de retener agua en su interior. Es un parámetro crucial para el entendimiento del comportamiento deformacional de un suelo parcialmente saturado. El flujo de agua a través de los suelos no saturados se controla por el gradiente del potencial total del agua. El potencial del agua puede expresarse como la suma de tres componentes:

• Potencial gravitacional, causado por la elevación del agua del suelo con respecto a un nivel de referencia.

• Capilar o potencial matricial, causado por efectos de la tensión superficial.

• Potencial osmótico, causado por la concentración de iones disueltos en el agua del suelo.

Los dos últimos potenciales, matricial y osmótico definen y forman lo que se denomina succión. Diversos autores han estudiado

experimentalmente el efecto que tiene cada una de las componentes de la succión sobre el comportamiento del suelo. Si bien es reconocida la influencia de la succión matricial sobre la respuesta deformacional y resistente del suelo, no existe evidencia clara sobre el efecto de la succión osmótica. Fredlund (1979) o Alonso (1987) consideran suficiente a la succión matricial para describir el comportamiento mecánico de un suelo. Sin embargo, algunos autores como Jiménez Salas (1973) reportan variaciones de volumen al cambiar la succión osmótica.

La succión matricial se define como la diferencia entre presión de aire de los poros y presión de agua, (Fredlund, 1979 y Alonso, 1987). El valor de esta succión matricial de poros ( ) depende de la tensión superficial y el radio de curvatura del menisco. Debido a que en los poros pequeños los radios de curvatura son menores, se desarrollan succiones matriciales más altas en suelos arcillosos que en los suelos granulares. (Barrera y Otros, 2004)

3. ZONA DE TOMA DE MUESTRA

La zona de estudio se encuentra ubicada en el Municipio de Santuario al oriente del Departamento de Antioquia y en la parte norte de la Cordillera Central de los Andes colombianos. El área de muestreo se encuentra en las coordenadas 6°8’14’’N y 75°16.55’3’’W y a unos 2124 m sobre el nivel del mar.

En el marco geológico el principal cuerpo ígneo es de tipo intrusivo. Este cuerpo se denomina Batolito Antioqueño, cubre aproximadamente 7.221km2 en la parte centro oriental del departamento. Presenta una homogeneidad litológica marcada y profundos perfiles de meteorización que oscilan entre 10m y 50m. Su desintegración origina suelos arenosos con algunos limos y afloramientos de cuarzodiorita, granodiorita y una mineralogía compuesta por plagioclasa, cuarzo, biotita y hornblenda. En la zona de estudio se encuentran depósitos de ceniza volcánica, con espesores que varían entre 1m y 2m, y que al meteorizarse produce suelos Andosoles del Oriente Antioqueño González (2000). Geomorfológicamente hablando según Arias (1995), son tres los elementos que conforman la base del relieve de la zona central

del Departamento de Antioquia: Altiplanos, escarpes erosivos regionales y cañones.

4. RESULTADOS

4.1 Curva característica

La curva característica o de retención de humedad por la técnica del papel filtro para la muestra inalterada se muestra a continuación, (Figura 1).

CURVA CARACTERÍSTICA

1

10

100

1000

10000

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

HUMEDAD (%)S

UC

CIÓ

N (

kPa)

Figura 1. Curva característica muestra inalterada por la técnica del papel filtro.

Con el mismo concepto usado para presentar los datos de la muestra inalterada se presentan en las Figuras 2, 3 y 4 las curvas características de la muestra compactada para diferentes humedades de compactación, una en la rama seca, una en la rama húmeda y una para la humedad óptima del Proctor modificado del material.

CURVA CARACTERÍSTICA

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

100000.0

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

HUMEDAD (%)

SU

CC

IÓN

(kP

a)

Figura 2. Curva característica muestra compactada en la humedad representativa de la rama seca por la técnica del papel filtro.

CURVA CARACTERÍSTICA

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

100000.0

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00

HUMEDAD (%)

SU

CC

IÓN

(kP

a)

Figura 3. Curva característica muestra compactada en la humedad representativa de la rama húmeda por la técnica del papel filtro.

CURVA CARACTERÍSTICA

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

100000.0

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00

HUMEDAD (%)

SU

CC

IÓN

(kP

a)

Figura 4. Curva característica muestra compactada en la humedad óptima por la técnica del papel filtro.

4.2 Comparación entre curvas características

Al comparar las curvas características de las muestras inalteradas y compactadas, se observa que la curva característica de la muestra inalterada queda por debajo de las curvas características de las muestras compactadas. Este comportamiento es lógico en la medida que el tamaño de poro de las muestras compactadas es más pequeño y esto induce un aumento de la succión. Adicionalmente, se puede observar que la curva natural tiene una tendencia bimodal, indicando la presencia de macroporos y microporos en la muestra, de otro lado las muestras compactadas tienen una tendencia más suavizada indicando una distribución más uniforme de los vacíos.

La Figura 5 muestra esta situación. También se puede concluir que no existe diferencia apreciable del orden de magnitud de la succión entre las curvas características de las tres muestras compactadas.

CURVAS CARACTERISTICAS

1

10

100

1000

10000

100000

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

HUMEDAD (%)

SU

CC

IÓN

(kP

a)

W. NATURAL

PROCTOR-RAMA SECA

PROCTOR-RAMA OPTIMA

PROCTOR.RAMA HUMEDA

Figura 5. Curvas características de las muestras compactadas y la muestra inalterada.

Al calcular el aumento de la succión inducido por el proceso de compactación se obtiene que para la muestra estudiada en este trabajo, el incremento es del orden de 10 veces superior a la succión del suelo en su estado inalterado.

4.3 Correlación entre las succiones en la muestra inalterada y las muestras compactadas

Se establecen a continuación correlaciones entre los valores de succión de la muestra inalterada y la muestra compactada para sus diferentes humedades de compactación (Figuras 6, 7 y 8).

El objetivo es analizar si existe una correlación consistente que permita dar una idea de los valores de succión para muestras compactadas a partir de los valores de succión de la muestra inalterada.

De esta forma se podría tener una idea de las succiones que se pueden lograr para muestras compactadas, sin la necesidad de realizar el ensayo de succión completo para todas las muestras.

SUCCIÓN RAMA SECA VS INALTERADA

y = 3.2902x1.1612

R2 = 0.96

1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000

MUESTRA INALTERADA

PR

OC

TO

R-R

AM

A S

EC

A

W=

16% RAMA SECA

Potencial (RAMA SECA)

Figura 7. Correlación entre succión de la muestra inalterada y la succión en la muestra en la rama seca.

SUCCIÓN RAMA ÓPTIMA VS INALTERADA

y = 4.4141x1.181

R2 = 0.94

1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000

MUESTRA INALTERADA

PR

OC

TO

R-R

AM

A Ó

PT

IMA

W

=18

%RAMA OPTIMA W=18%

Potencial (RAMA OPTIMA

W=18%)

Figura 8. Correlación entre succión de la muestra inalterada y la succión en la muestra en la humedad optima.

SUCCIÓN RAMA HUMEDA VS INALTERADA

y = 3.5656x1.1668

R2 = 0.94

1

10

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000 10000

MUESTRA INALTERADA

PR

OC

TO

R-R

AM

A H

UM

ED

A

W=

20% RAMA HUMEDA

Potencial (RAMA HUMEDA)

Figura 9. Correlación entre succión de la muestra inalterada y la succión en la muestra en la rama húmeda.

En cuanto a las correlaciones de succión para muestras inalteradas y compactadas, se aprecia en general una buena tendencia, que indica que existe la posibilidad de correlacionar razonablemente las succiones de las muestras inalteradas con las muestras compactadas, con el objetivo de tener un herramienta para inferir el resultado de succión de una muestra compactada a partir de los resultados de succión conocidos en la muestra inalterada.

5. CONCLUSIONES Y LIMITACIONES

• El incremento medio de la succión de la muestra compactada en estudio es de 10 veces el valor de la succión para el mismo suelo en estado natural.

• Las correlaciones de succión para muestras inalteradas y compactadas, reflejan una buena tendencia, que indica que existe la posibilidad de correlacionar razonablemente las succiones de las muestras inalteradas y las succiones correspondientes al mismo suelo compactado, es decir esta correlación permitiría estimar el

resultado de succión de determinado suelo compactado por medio de técnicas estandarizadas a partir de los resultados de succión conocidos del mismo suelo inalterado.

• Las correlaciones presentadas en este trabajo son indicativas sólo del comportamiento del tipo de suelo usado en esta investigación, para obtener un conocimiento más general y representativo de estos y otros materiales se sugiere realizar un trabajo más exhaustivo que involucre una población más amplia de tipos de suelos y cuerpos de prueba.

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