SÍNTESIS DE ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Este numeral se desarrolló en el documento titulado “Síntesis del estado del conocimiento sobre el comportamiento esfuerzo–deformación y degradabilidad de rocas lodosas” (2006) [61], escrito por el autor y publicado en las memorias del VI Congreso Suramericano de Mecánica de Rocas; allí se describen, en forma comentada, los principales trabajos adelantados sobre el tema de investigación. A continuación se presenta lo esencial del estado del conocimiento sobre materiales naturales cementados y rocas arcillosas, similares a las que son el objeto de estudio en esta investigación.

El estudio de rocas lodosas se ha adelantando desde hace cerca de 100 años debido a los cortes requeridos para la construcción del Canal de Panamá; allí se presentaron deslizamientos masivos y reactivación de procesos antiguos que significaron retrasos y grandes sobrecostos al proyecto, estudiados por Knight (1963) y publicados por Bjerrum (1967) [62], en donde se puso en evidencia que los deslizamientos tuvieron lugar a profundidades aproximadas de 30 m y se debieron principalmente a fallas de tipo pasivo cuando se alcanzó una relación crítica entre _h/_v; casos de problemas con rocas lodosas en proyectos y sitios en Colombia son referidos en Montero y Torres (2007) [63].

No obstante en el país son relativamente pocos los trabajos sobre rocas lodosas, los realizados se han enfocado en la determinación de características composicionales y mecánicas generales, sin entrar a evaluar la respuesta tenso–deformacional ante factores que inducen degradación como los que representan los procesos de descarga; estas pueden conllevar a que el material experimente un alivio de esfuerzos lo suficientemente representativo como para que contribuya al deterioro de la estructura.

Los trabajos de caracterización de rocas lodosas realizados en Colombia han planteado la necesidad de evaluar la pérdida de competencia mecánica frente a ciclos de secado – humedecimiento (Alarcón et al., 1976 [64]; Vanegas, 1985 [65]; Patiño, 2000 [66]; Palomino [67]). Recientemente Tovar (2008) [68] investigó sobre dichos efectos en la resistencia al corte de rocas lodosas, imponiendo los ciclos con una técnica diferente a la propuesta en esta tesis, que es la del equilibrio de vapor (Delage et al., 1998 [69]; Tang y Cui, 2005 [70]). Suelos cementados y rocas blandas (aspectos generales).

Los problemas geotécnicos asociados a estos materiales y su importancia en la práctica se han expuesto en sinnúmero de documentos, de los cuales se destaca por su reciente divulgación el trabajo de Leroueil y Hight (2003) [71] sobre el comportamiento y las propiedades de suelos naturales y rocas blandas, el cual constituye un aporte significativo sobre el tema, y los artículos de Alonso et al. (2006) [72] que compilan el estado del conocimiento sobre el comportamiento esfuerzo–deformación y efectos de meteorización principalmente en rocas arcillosas.

Estas publicaciones ponen de manifiesto notorios avances pero también enormes limitaciones del estado actual del conocimiento sobre mecanismos que controlan la respuesta mecánica de suelos duros y rocas blandas y su relación con la degradación de sus propiedades esfuerzo–deformación. El tema, identificado por sus siglas en inglés HSSR, fue objeto de la reciente creación del Comité JTC–7 de la Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM), al cual pertenece el autor de esta investigación.

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Las rocas arcillosas blandas y los suelos arcillosos duros (pizarras, margas, argillitas, lutitas, arcillas sobreconsolidadas, con frecuencia fisuradas y parcialmente cementadas) son muy abundantes en amplias zonas de toda la geografía mundial, incluyendo la Península Ibérica, el resto de Europa, Asia, Estados Unidos, el basamento Brasilero y la Cordillera de los Andes y plantean dificultades para la comprensión de su comportamiento y para la investigación experimental.

En el campo conceptual y teórico estos materiales son objeto de investigación activa por parte de varios grupos en Europa, Asia, Norteamérica y Brasil. Permanecen sin resolver, especialmente de cara a su utilización en la práctica, problemas como la incorporación de la rotura progresiva y de la pérdida de cementación por causas ambientales o de cambios en el estado de esfuerzos.

El análisis de la literatura disponible sobre HSSR permite formular las siguientes conclusiones relacionadas con su comportamiento mecánico: (i) Los suelos duros y las rocas blandas poseen componentes de rigidez y resistencia que no pueden explicarse solamente en términos del índice de vacíos y el estado e historia de esfuerzos. Esas componentes están relacionadas con la ocurrencia de agentes cementantes y en un sentido más general, con la existencia de diversas formas de estructuración. (ii) Sea cual sea la causa o el conjunto de causas de la estructuración (cementación, historia de esfuerzos, succión, etc.), sus efectos sobre la compresibilidad, la fluencia y la resistencia son cualitativamente similares y, por lo tanto, cuantitativamente aditivos. (iii) El mayor o menor efecto de las deformaciones volumétricas y desviadoras sobre la degradación de la estructura de los suelos duros y las rocas blandas depende en gran medida de la localización del estado inicial del material inalterado con respecto a la curva de consolidación del material reconstituido. (iv) La degradación mecánica de los suelos arcillosos cementados y las rocas blandas con alto contenido de minerales activos es igual o más importante en condiciones de descarga que en condiciones de carga.

Los suelos duros y las rocas blandas poseen características físico–químicas y exhiben comportamientos complejos que dificultan – cuando no imposibilitan – su tratamiento como materiales particulados convencionales. Esencialmente, la ocurrencia de agentes cementantes y otras formas de estructuración causa que su comportamiento se desvíe de los principios de la mecánica de suelos del estado crítico.

Estos problemas han motivado la formulación de nuevas estructuras conceptuales de trabajo y modelos constitutivos avanzados que intentan tener en cuenta los mecanismos de generación y degradación de la estructura sobre la compresibilidad, la fluencia y la resistencia de estos materiales (Leroueil y Vaughan, 1990 [73]; Gens y Nova, 1993 [74]; Lagioia y Nova, 1995 [75]; Vaughan, 1997 [76]; Rouainia y Wood, 2000 [77]; Kavvadas y Amorosi, 2000 [78]; Vaunat y Gens, 2003 [79]; Pinyol et al., 2007 [80]). En todos ellos se apela a las similitudes de comportamiento que exhiben los suelos duros y las rocas blandas para justificar su estudio en el marco de modelos unificados.

Los modelos constitutivos propuestos se enmarcan en la mecánica del continuo y consideran que la respuesta del material se ve controlada por la distancia entre el estado actual y un estado de referencia (material totalmente desestructurado). La elasto- plasticidad y la teoría del estado crítico son los marcos de modelación más usados. Requieren la definición de una ley elástica, una superficie de fluencia dependiente de la

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estructuración y una ley de flujo que traduce la existencia de dilatancia a bajos niveles de esfuerzos de confinamiento y de contractancia a altos niveles.

La dependencia de la superficie de fluencia y la estructura del material ha recibido la mayor atención. Se han dejando más de lado los temas del efecto de la estructura sobre la ley de flujo y la respuesta del material dentro de la zona no plástica. Una excepción notable es el modelo de Kavvadas y Amorosi (2000) [78] que introduce en esa zona una nueva envolvente, que expresa el inicio de deformaciones irreversibles sin rotura. Los otros aspectos de importancia son la influencia de la estructura sobre la dilatancia y la contractancia del material, que controla parcialmente su resistencia bajo restricciones cinemáticas, y la anisotropía (UPC, Barcelona).

A modo de conclusión se extracta de la lectura de documentos científicos y producto de la investigación adelantada en diversas latitudes sobre materiales arcillosos, que aún quedan pendientes aspectos sobre los que no se han podido vislumbrar los efectos en el comportamiento tenso–deformacional de estos materiales. Entre ellos se destacan los efectos de los ciclos carga–descarga sobre la resistencia, los modos de falla ante ciclos de humedecimiento–secado impuestos mediante técnicas de vapor controlado, y, el papel que juega la microestructura en el desarrollo de las superficies de falla en ensayos triaxiales.

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