MARCO GENERAL DE TRABAJO DE LA INVESTIGACIÓN

El trabajo de investigación se fundamenta en desarrollos experimentales que permiten deducir postulados y confrontar hipótesis de degradación o pérdida de competencia mecánica, específicamente asociada a pérdidas de resistencia y cambios en rigidez de muestras de rocas lodosas laminadas, debido a acciones que representan cambios drásticos de condiciones medioambientales como ciclos de humedecimiento–secado y carga–descarga.

Para ello se elaboró y diseñó un plan de trabajo, consistente de una serie de tareas que conllevaran a productos específicos relacionados con el cumplimiento de los objetivos propuestos, de manera tal que en forma sistemática permitieran consolidar un producto del conocimiento científico, que se tradujera tanto en una detallada caracterización del material de estudio como en un seguimiento profuso de la evolución físico–mecánica que exhiben los materiales ante la aplicación de las acciones previstas.

En aras de cumplir requisitos del diseño experimental y estándares de calidad de los ensayos de laboratorio y adelantar análisis estadísticos de los resultados obtenidos, la investigación incluyó una muestra amplia de acciones degradantes que conllevaran a diversidad de condiciones, con el propósito de simular diferentes puntos por donde puede estar atravesando el material en su condición in-situ ó ante acción directa de trabajos de ingeniería como las que implican por ejemplo la construcción de obras.

Las principales actividades ejecutadas se resumen a continuación con el objeto de describir apropiadamente el marco de trabajo en el cual tuvo lugar la investigación:

Actividad 1. Identificación y caracterización de las rocas lodosas laminadas de estudio. Se desarrolló e implementó una secuencia metodológica que permitió identificar y caracterizar, en campo y laboratorio, rocas lodosas laminadas de los Andes Colombianos, con características de alta susceptibilidad a la degradación. Esta secuencia se fundamentó en la identificación de variables incidentes y aspectos claves como: escalas de observación de procesos de alteración, composición químico–mineralógica, grado de estabilidad mecánica y estructura interna, entre otros. A continuación se describen los desarrollos adelantados en esta actividad:

Actividad 1.1

Se definieron y visitaron algunos sitios en donde afloran series de rocas lodosas, particularmente lutitas poco cementadas, y se describió la influencia de condiciones medioambientales específicas como: origen, composición, lluvias, altitud, temperatura, etc., sobre la resistencia de los materiales. En el sitio de muestreo se tomaron datos geológicos y se consultaron las estaciones meteorológicas cercanas; también se tomaron datos de pH del agua del macizo. Se levantaron perfiles litológicos con el objeto de identificar procesos asociados a tectonismo y erosión superficial.

Actividad 1.2

Se definieron parámetros geomecánicos que caracterizan un macizo rocoso lodoso y se revisaron aspectos geológico–estructurales del sector, aplicando una metodología para evaluar la calidad del macizo (Índice de resistencia geológico GSI, Hoek y Brown, edición 2002), con el objeto de establecer algunas relaciones de contraste entre campo versus laboratorio.

I-14 Universidad Nacional

Actividad 1.3

Se realizaron ensayos de caracterización geomecánica en campo mediante las técnicas down–hole y cross–hole y en laboratorio con ultrasonido. Igualmente se realizaron ensayos para determinar propiedades físicas y parámetros índice del material (humedad natural, límites de consistencia, peso unitario, peso específico, gradación antes y después de ciclos de desleimiento, velocidad sónica con lectura de los oscilogramas de las ondas de impulso, carga puntual y dureza del martillo Schmidt).

Actividad 2. Determinación de la composición del material y estudio de su fábrica. Actividad 2.1

Se ejecutaron ensayos de fluorescencia de rayos X (XRF) y de difracción de rayos X (XRD), con el objeto de determinar la composición química y mineralógica, respectivamente. Estos ensayos se realizaron para dos condiciones “extremas”: muestra del macizo (“intacta”) y muestra del lecho de la quebrada (“degradada”).

Actividad 2.2

Se ejecutaron ensayos de porosimetría de mercurio (MIP) con el objeto de determinar la distribución de tamaños de poros y se establecieron relaciones con el componente sólido del material (fábrica). Igualmente se realizaron ensayos de adsorción–desorción (técnica BET) que pretenden determinar la variabilidad de la superficie específica de los minerales presentes y se contrastó con técnicas más “simples” como la de azul de metileno.

Actividad 2.3

Se realizaron observaciones en los microscopios electrónicos de barrido (SEM) y de transmisión (TEM), con el objeto de identificar rasgos microestructurales del material (fábrica). Para identificar rasgos macroestructurales, se elaboraron secciones delgadas y se realizaron los respectivos análisis petrográficos, que permitieron determinar la presencia o no de un cementante.

Actividad 2.4

Se realizaron ensayos de calorimetría diferencial de barrido (DSC) y de termogravimetría (TGA) con el propósito de identificar propiedades térmicas de las rocas lodosas y su eventual incidencia en su comportamiento geo-mecánico. Igualmente permitió identificar eventos de liberación de tensiones internas al pasar por cierto grado de temperatura. Actividad 3. Investigación experimental mediante ensayos triaxiales.

Especial atención implicó la obtención de muestras “intactas” de estas rocas lodosas debido a que exhiben características fuertemente anisotrópicas por su laminación y además presentan bajo grado de cementación (cohesión) o sus enlaces (bonding) son esencialmente de carácter litostático. Las actividades específicas adelantadas dentro del trabajo experimental se resumen así:

Actividad 3.1

Consecución de muestras de calidad: se ejecutaron dos perforaciones de 16 a 20 m de profundidad (rotación y lavado), una trinchera de 8 m de altura (muestras en bloque) y

M.C. Torres-Suárez I-15

toma de información relativa al porcentaje de recobro (RI), índice de calidad de la roca (RQD) y tasas de perforación (DR).

Actividad 3.2

Ciclos de humedecimiento–secado: para imponer estos ciclos se implementó la técnica del equilibrio de vapor (VET). Para ello se colocaron las muestras en cámaras herméticas a humedad relativa controlada, variándola entre el 40 y el 95 a 100%, simulando así condiciones extremas por las que puede atravesar el medio natural en una excavación. Esto implicó además la determinación de cambios en succión con la saturación (curva de retención de humedad).

Ciclos de carga–descarga en condiciones triaxiales: se realizaron los ensayos a dos niveles de la presión de confinamiento, definidos en función de la relación entre el esfuerzo de confinamiento y la resistencia a la compresión simple (₃ / _c). Con ello se logró un contraste y se hicieron evidentes los efectos de las descargas.

Se determinaron variaciones en rigidez (módulos de deformación axial y diametral) y cambios en resistencia ante estos ciclos, para lo cual se instrumentaron las muestras con deformímetros eléctricos, considerando diferentes condiciones de alteración del material. Debido a limitaciones del equipo el cual es de carga controlada, los ensayos se realizaron en condición no drenada (U) y sin mediciones de presión de poros. También se realizaron mediciones de velocidad de ondas acústicas en laboratorio mediante la técnica del pulso ultrasónico, antes y después de llevar a la falla al material, con el propósito de evaluar indirectamente cambios en rigidez y resistencia, para las condiciones de carga previstas. 1.2.1 Marco teórico general de trabajo

Este marco de trabajo está conformado por las teorías que soportan los desarrollos investigativos adelantados durante la tesis. A partir de los objetivos descritos en el numeral 1.1 y considerando las actividades previamente descritas, la investigación sustenta en parte sus desarrollos experimentales en teorías relacionadas con los suelos en condición de saturación parcial o no-saturados.

En esencia y de acuerdo con investigadores de esta línea, que pretende determinar efectos sobre resistencia y comportamiento geomecánico general de los suelos en dicha condición de saturación, se tiene que en la medida que el material pasa de un estado seco a otro saturado se reducen las fuerzas de succión presentes en los poros del suelo, y en sentido contrario. Al igual que en los suelos y particularmente si se trata de suelos finogranulares (limos y arcillas), las tensiones relacionadas con la succión pueden ser lo suficientemente grandes como para explicar niveles de resistencia al corte que en otras condiciones serían inconcebibles, tal como lo sugieren Fredlund et al. (1993) [1].

Las relaciones entre succión y resistencia al corte han sido investigadas desde hace cerca de dos décadas y se han hecho avances importantes en modelos de comportamiento que por lo general parten de la curva de retención de agua del material, es decir el cambio en saturación (ó en el contenido volumétrico de agua) con respecto a la succión; la succión total (matricial más osmótica) controla el comportamiento del material en función de su porosidad, bien sea que se trate de porosidad a nivel micro ó macro.

I-16 Universidad Nacional

En general existen diversas técnicas para determinar la succión de un suelo, dentro de las cuales están: traslación de ejes, técnica osmótica, equilibrio de vapor y mediante un dispositivo denominado tensiómetro, descrito en Colmenares (2002) [2]. En esta investigación se decidió aplicar la técnica del equilibrio de vapor dado el amplio espectro de succiones que puede manejar, así como la facilidad de control que ella implica.

En cuanto al comportamiento relacionado con los ciclos de carga–descarga, se hace uso de teorías convencionales de comportamiento mecánico de geo-materiales con modelos elasto–plásticos que incluyen aspectos como el ablandamiento o endurecimiento por esfuerzos, con el objeto de determinar los efectos de las descargas. Se debe establecer si la naturaleza laminada y en consecuencia direccional (anisotrópica) del material tiene una incidencia importante en su respuesta mecánica.

Debido a que las acciones aplicadas sobre los materiales lo afectan de manera importante se requiere adoptar técnicas de monitoreo y obtención de datos que afecten lo menos posible las muestras de roca. En este caso, tanto la técnica del equilibrio de vapor como la medición de velocidad de ondas acústicas, soportan apropiadamente la necesidad de mantener niveles de energía lo menos alterados posible; todos los fundamentos teóricos que sustentan la adquisición y posterior tratamiento de las señales digitales adquiridas durante los diferentes procesos, están sólidamente fundamentados en la literatura (Santamarina y Fratta, 2005 [3]) y han sido ampliamente usados en esta investigación. 1.2.1.1 Aspectos generales del origen y la formación de las rocas lodosas

Se debe antes clarificar el origen de los lodos (agregaciones compuestas de partículas comprendidas entre tamaños limo, 2.0 a 62.5 m y arcilla, menor que 2.0 m, de acuerdo con la escala de clasificación Udden–Wentworth (Udden, 1914; Wentworth, 1922)), modificada posteriormente por Krumbein y Sloss, 1963 [4] en función del logarítmo en base 2 de la relación entre el diámetro de la partícula y un diámetro de referencia igual a 1.0 mm, llamada escala .

Los lodos son denominados así en “Glossary of Geology and Related Sciences” del American Geological Institute AGI (1962) como “una mezcla de agua con arcilla y/o limo junto con materiales de otras dimensiones”, cuyo significado más preciso lo establecen Potter et al. (2005) [5], quienes emplean el término para referirse a depósitos de grano fino, de cualquier composición, que contienen 50% o más en peso de minerales arcillosos, carbonato, ceniza volcánica, arena fina y aun diatomeas (algas microscópicas unicelulares con esqueleto silíceo).

Estos se comportan plásticamente cuando se humedecen no obstante que en ocasiones se pueden tener porcentajes mayores que 50% de limos presentes; una discusión muy amplia sobre la terminología asociada a las rocas lodosas, que en este contexto incluye diversidad de litologías sedimentarias como las lutitas, lodolitas, limolitas, arcillolitas y los denominados shales, se encuentra descrita con detalle en un trabajo sobre “Rocas Lodosas de la Cordillera Oriental de Colombia” por Montero et al. (2010) [6]. Se considera que aunque los ambientes y mecanismos de formación de cada una de estas litologías son sensiblemente diferentes y por lo tanto sus propiedades esfuerzo – deformación y geomecánico también difieren ampliamente, los procedimientos metodológicos planteados en esta investigación pueden ser aplicados a todos los geo-materiales lodosos, dada la representatividad que tienen en el medio.

M.C. Torres-Suárez I-17

De otra parte se tiene que los sedimentos tamaño arcilla provienen en general de procesos de alteración de rocas pre-existentes, con aportes de ceniza volcánica en zonas de convergencia y polvo de roca de origen glaciar en zonas frías. En consecuencia las partículas tamaño limo puede provenir de procesos físicos que conllevan la conminución a partir de partículas de mayor tamaño, pulverización de partículas por atrición y desgaste en el transporte fluvial, congelamiento–deshielo, expansión térmica, exfoliación, relajación de esfuerzos de confinamiento y todo aquello que favorezca la formación de partículas de menor tamaño.

También pueden estar asociados a procesos bilógicos a través de animales y plantas que trituran granos de mayor tamaño o ayudan en la precipitación de partículas tamaño limo (Potter et al., 2005 [5]). Dentro de las fuentes terrígenas de lodo y limo, se citan p.e.: a) erosión hídrica del suelo en interfluvios y canales; b) erosión eólica (deflación) en regiones áridas y semi-áridas; c) erosión glaciar que produce polvo de roca por abrasión; d) productos más finos de las erupciones volcánicas; e) meteorización y erosión de otras rocas lodosas las cuales abundan y se desintegran rápidamente. La diferenciación sedimentaria permite entender la forma como se asocian estos factores al ciclo geológico y se presentan en la Figura 1.1.

Figura 1.1. Fuentes de lodo y procesos de formación de rocas lodosas (tomado de Potter et al., 2005 [5]).

El término “diferenciación sedimentaria” fue introducido por Potter et al. (2005) [5] para identificar todos los cambios que afectan a las rocas durante la meteorización y transporte, con segregación de los detritos, tanto por tamaño como composición química.

I-18 Universidad Nacional

De conformidad con este concepto, en desarrollo de la meteorización los minerales primarios de las rocas ígneas (anfíboles, piroxenos, micas, etc.) formados a altas temperaturas y presiones y en ausencia de humedad, una vez expuestas a los agentes atmosféricos en condiciones de baja temperatura y presión en climas húmedos de la zona tropical se transforman en minerales secundarios insolubles tales como caolinita, goetita, gibsita con algo de cuarzo y sulfatos y carbonatos solubles. La posibilidad de que se generen estas reacciones y se den estos productos depende en parte de que la roca parental esté expuesta el tiempo suficiente (tiempo residente) a la acción de los agentes climáticos (esencialmente lluvia, aunque involucra a los demás) y bióticos.

El tiempo de exposición a dichos agentes es fundamental dependiendo de si se trata de márgenes activas-convergentes de la orogenia, con alto relieve y laderas muy inestables, con la contribución de la actividad volcánica, en contraste con las márgenes pasivas del cratón, con relieves suaves y mayor estabilidad de las laderas. En las primeras hay un rápido solevantamiento controlado tectónicamente, conllevando tasas de denudación altas con producción de grandes volúmenes de detritos en las zonas de clima húmedo; dado que el tiempo de exposición a la meteorización es limitado, lo más probable es que no se desarrollen perfiles maduros.

En las segundas las tasas de denudación son bajas y los tiempos de exposición son prolongados, por lo cual, en climas tropicales, se favorece la producción de caolinita, goetita y gibsita, productos estables finales de la meteorización, aunque la cantidad de sedimentos que se pueden depositar es función de la intensidad de lluvia; en este caso los perfiles de meteorización se desarrollan completamente. Como conclusión se tiene que el mayor aporte de lodo y limo a las cuencas sedimentarias se origina en las regiones convergentes con fuerte precipitación, y que dicho aporte decrece gradualmente en la medida que el escenario corresponde a las regiones pasivas con poca lluvia.

En la región Andina las lluvias son muy intensas por lo que los torrentes y ríos aportan enormes volúmenes de lodos a los océanos. Las tasas de denudación (erosión + remoción en masa) son altas, por lo cual las condiciones de alta precipitación y temperatura contribuyen a que la descomposición sea rápida, de manera que en muchos sitios la relación entre velocidad de la meteorización y la tasa de denudación, favorece la formación de suelos residuales relativamente maduros.

Otro factor de gran incidencia en los procesos de formación de lodos es el aporte de la remoción en masa a la denudación, ya que los lechos de los ríos arrastran altos volúmenes de escombros de remoción en masa con abundante cantidad de limo y lodo, modificando el balance geomorfológico, de modo que cuando el relieve local es fuerte y la tasa de denudación alta se presenta un máximo aporte de remoción en masa a la denudación. Mientras el clima controla la intensidad de la denudación, el tiempo de exposición a la meteorización es gobernado por la estabilidad tectónica, según un Balance geomorfológico en la región tropical Andina, elaborado por Montero en 1989. En cuanto a ambientes de sedimentación se definen como el complejo de condiciones físicas, químicas y biológicas bajo las cuales se acumula un sedimento y por lo tanto determina de manera importante sus propiedades geomecánicas. En rocas lodosas, el ambiente sedimentario propicio requiere de condiciones favorables para la precipitación de lodos y limos, esto es aguas tranquilas con mínima energía. Dichas condiciones se tienen preferiblemente en ambientes deltaicos y lagunares, siempre y cuando estén resguardados de las olas; también mar adentro en ambientes de baja agitación.

M.C. Torres-Suárez I-19

En cuanto a mecanismos de transporte de sólidos constitutivos de rocas lodosas se sabe que la fracción arcillosa es transportada por suspensión por corrientes fluviales, deltas, corrientes de marea, corrientes de turbidez y aun las corrientes oceánicas profundas hacia las cuencas sedimentarias (lagos u océanos), en tanto que las partículas tamaño limo son arrastradas indistintamente en suspensión o como carga de fondo (Figura 1.2). Además del tamaño de las partículas, otros dos factores afectan de manera importante la caída del lodo: a) la concentración de partículas suspendidas en la columna de agua, y, b) la salinidad del agua del mar.

Figura 1.2. Mecanismos de transporte de sedimentos lodosas (tomado de Potter et al., 2005 [5]).

Cuando la concentración excede de 20 g/l se obstruye la sedimentación y se forma un fluido lodoso característico, común en líneas de costa, con abundante suministro de lodo. En cuanto a la salinidad, en la medida que ésta se incrementa se retarda el asentamiento. En ambos casos las partículas se mantienen en suspensión.

Según Potter et al. (2005) [5], dentro de los mecanismos más importantes de depósito de las partículas finas en las cuencas sedimentarias, están los que corresponden al asentamiento gravitacional, la floculación y la pelletización. Las partículas de arcilla se depositan como agregados a través de la floculación o como pellets fecales (excremento de invertebrados en depósitos marinos); la floculación puede ocurrir a través de procesos físicos, en los que el exceso de carga negativa en la superficie propia de las láminas de arcilla que tiende a repeler entre sí las partículas (repulsión electrostática), es contrarrestado en el medio marino por la atracción de cationes (iones positivos), permitiendo que las láminas se agrupen y floculen.

En la floculación biológica por acción de bacterias y algas que segregan hilachas de moco, que aglutinan arcilla, limo y granos de arena fina, conformando un agregado no clasificado con peso y tamaño mucho mayor que los componentes individuales, los cuales sedimentan fácilmente. Si la estructura de los lodos es floculada su fábrica inicial es

I-20 Universidad Nacional

abierta, contiene mucha agua y es inestable; si es no-floculada, p.e. dispersa, su estructura inicial es sub-paralela, con menos agua, más densa y resistente; además menos permeable y por lo tanto menos erodable.

Dada la baja velocidad de caída del lodo (± 0.0139 cm·s-1_{), el predominio de flujo}

turbulento sobre el laminar en la naturaleza y la gran abundancia de lodolitas en el registro geológico, Pryor (1975), citado por Potter et al. (2005) [5] concluye que el lodo se deposita más como agregado que como partícula individual.

El proceso asociado a pellets se presenta en la interfase agua-sedimento por la acción de organismos pelágicos y bénticos con tamaños de 0.3 a 2.0 mm, que producen pequeños granos ovoides de residuos fecales, los cuales contribuyen al aporte de lodos; en la Figura 1.3 se puede observar una sección fotográfica de una muestra de pellets. La