Resistencia cortante

Los suelos derivados de cenizas volcánicas usualmente tienen propiedades atípicas de resistencia cortante a pesar de la alta humedad y alta plasticidad que presentan. Estas propiedades, resultado de una estructura cementada y de las succiones generadas por la parcial saturación, son reconocidas a través de las elevadas pendientes en que se sostienen taludes naturales y elevados ángulos de fricción reportados típicamente en la literatura (Rao, 1995; Wesley, 1977; Rouse et al., 1986; Rouse, 1990). En Colombia se observan taludes de altura mayor a 10 m con pendientes superiores a 60° sostenidos de manera natural y se encuentran ángulos de fricción variando entre ϕ=26° y ϕ=43° (Forero et al., 1999). En otros países con este tipo de suelos han sido reportados ángulos de fricción de ϕ=29º-41º para humedades entre wn= 50-100% y límites líquidos entre wL=80-213% (Rao, 1995).

La tendencia de estos suelos a formar agregaciones debido a la presencia de alofana, haloisita e imogolita lleva a que se comporten como limos y presenten altas resistencias a pesar de los elevados límites de Atterberg que tienen. Este comportamiento ha sido observado en suelos derivados de cenizas volcánicas en Papua, Nueva Guinea, Indonesia, Tanzania, Dominica (Wesley, 1974, 1977; Rouse et al., 1986).

En comparación con suelos de origen sedimentario de plasticidad similar, los suelos derivados de cenizas volcánicas pueden presentar mayor resistencia residual (Figura 4.19). Algunos datos registrados indican ángulos de fricción variando entre ϕ´res= 31 - 40° para

30° para suelos sedimentarios (Lambe y Whitman, 1979). Estas pequeñas diferencias entre el estado de resistencia máxima y residual han sido relacionadas con la presencia de alofana, haloisita e imogolita. Wesley (1977) sugiere que las partículas de alofana, debido a su estructura no cristalina (no laminar), no alcanzan una orientación preferencial única más allá de la resistencia máxima y consecuentemente las diferencias entre los estados de resistencia máxima y residual son ligeras. Es importante anotar que a pesar de que estos autores reconocen elevados valores de resistencia residual en suelos derivados de cenizas volcánicas, existen otras evidencias de baja resistencia residual en este mismo tipo de suelo, manifestadas en altos valores de sensitividad (e.g. Nueva Zelanda, sensitividad: 5 – 55, Jaquet 1990).

Figura 4.19 Variación de ϕ´peak y ϕ´rcon el índice de plasticidad de suelos

alofánicos y suelos sedimentarios (Rao, 1995)

Las explicaciones sobre las propiedades resistivas que exhiben los suelos derivados de cenizas volcánicas no han sido suficientemente soportadas. Mayor investigación es necesaria para entender el comportamiento esfuerzo-deformación y resistencia de estos suelos a la luz de los avances sobre el comportamiento de suelos ligeramente cementados, como los

estudios sobre suelos cementados se realizan con muestras reconstituidas elaboradas con materiales homogéneos y cementados artificialmente para asegurar la isotropía de la cementación. Sin embargo los suelos naturales son por lo general anisotrópicos y heterogéneos.

Los suelos cementados presentan características resistivas particulares atribuidas a la presencia de uniones conectando las partículas. De manera similar a la respuesta oedométrica, estudiada en el Capítulo 3, la respuesta bajo esfuerzos desviadores también presenta cambios que dependen de la trayectoria de esfuerzos y de la contribución de la cementación (Means y Parcher, 1963; Malandanki y Toll, 2001; Rinaldi y Santamarina, 2003). Adicionalmente, las condiciones del ensayo afectan la respuesta esfuerzo-deformación. La resistencia de suelos cementados por medio de ensayos triaxiales drenados es inferior a resistencia mediante ensayos no drenados. Esto posiblemente se debe a que la deformación volumétrica permitida durante ensayos drenados contribuye al rompimiento de los enlaces y consecuentemente a una menor resistencia (Asghari et al., 2003).

Para entender la influencia de la cementación, estudios sobre suelos débilmente cementados han llevado a incorporar el término de fluencia de las uniones (bond yield), definido como el estado en el cual se inicia la decementación de la estructura y ocurre la mayor pérdida de rigidez. En la Figura 4.20 se pueden observar las diferencias en la evolución de la rigidez de suelos con y sin cementación y roca blanda.

De acuerdo con Malandraki y Toll (1996), en la respuesta resistiva de suelos cementados se pueden distinguir algunas zonas dependiendo del nivel de confinamiento y la trayectoria de corte (Figura 4.21). En la primera zona, la cementación controla el comportamiento en la falla y la falla coincide con la superficie de fluencia de las uniones. En la segunda zona, existe una cementación remanente que lleva a una mayor resistencia respecto al suelo decementado y a medida que se incrementa el confinamiento la pendiente de la superficie de falla se reduce. En la tercera zona, la fluencia de las uniones ocurre durante el corte y la envolvente de falla

coincide con la de un suelo sin cementación. En la cuarta zona, la fluencia de las uniones ocurre durante compresión isotrópica y no contribuye a la resistencia del suelo.

Figura 4.20 Representación conceptual de la fluencia en materiales cementados (Malandraki y Toll, 2001)

Figura 4.21 Superficies de falla, superficies de fluencia y zonas del

comportamiento de suelos cementados definidas a partir de ensayos drenados (Malandraki y Toll, 2001)

dependiendo de la trayectoria de esfuerzos. Cuando la fluencia se inicia bajo una trayectoria de esfuerzos no todos los enlaces se rompen y el cambio de dirección de la trayectoria llevará a que otros enlaces puedan soportar los esfuerzos en la nueva dirección. La historia de esfuerzos afecta la envolvente de falla; complejas trayectorias de esfuerzos previamente aplicadas pueden llevar a la degradación de la cementación (Malandanki y Toll, 2001).

Bajo la aplicación de esfuerzos desviadores y cuando no se ha fracturado el cementante, ocurren menores cambios de volumen en suelos cementados en comparación con suelos no cementados. Cuando la decementación se inicia y se incrementan los esfuerzos cortantes, la estructura del suelo experimenta alta dilatancia o presiones de poros negativas, fracturamiento y degradación de las agregaciones. La tendencia a dilatarse se incrementa con aumento del cementante y se reduce para mayores esfuerzos y mayores relaciones de vacíos (Rinaldi y Santamarina, 2003). La máxima dilatancia (o el exceso de presión de poros negativo) ocurre después de que se alcanza el estado crítico, mientras que en el caso la máxima dilatancia en suelos densos ocurre en el estado crítico (Asghari et al., 2003).