SCG-XI Congreso Colombiano de Geotecnia, ISBN 958-33-9676-1
Curvas características de suelos volcánicos del oriente de antioquia
Characteristic curves of volcanic soils from east of antioquia
Cesar Augusto Hidalgo Montoya
Universidad de Medellín, Medellín, Colombia
Rubén Darío Montoya Ramírez
Universidad de Medellín, Medellín, Colombia
Resumen
Las cenizas volcánicas presentan comportamientos muy diferentes a otros materiales, sin embargo al igual que en los demás suelos, el comportamiento mecánico e hidráulico está determinado por los niveles de las presiones de los fluidos que ocupan los poros. La presión de poros en los suelos no saturados o succión se relaciona directamente con el contenido de humedad o grado de saturación por medio de la curva
característica. En este trabajo se determinaron las curvas características de tres muestras de suelos volcánicos de la zona llamada oriente antioqueño. Posteriormente se obtuvo las curvas teóricas para estos suelos y se compararon sus resultados con otros publicados en la literatura técnica para diferentes tipos de suelos.
Abstract
Volcanic ashes present a very different behavior respect of others materials, however, equally than others soils, theirs mechanical and hydraulic behavior are determined by the level of pressure on the fluids occupying the voids. Pore pressure in unsaturated soils or suction is directly related with the moisture content or saturation degree by the soil-water characteristic curves. In this work, the characteristic curves for three samples of volcanic ashes from the region named Oriente Antioqueño, were determined. Later, theoretical curves were calculated for this soils and they were compared with others taken of the technical literature for different kinds of soils.
Los suelos volcánicos de la zona del oriente antioqueño son materiales cuyas características mineralógicas, origen, forma de depositación, estructura, entre otras, hacen que su comportamiento difiera considerablemente de los demás suelos, lo cual se advierte tanto en su comportamiento mecánico como hidráulico.
1 INTRODUCCIÓN
El comportamiento mecánico e hidráulico de los suelos está determinado por características propias del suelo como la composición granulométrica y su origen geológico (la estructura de los granos y la cementación entre otras), sin embargo, el comportamiento de los suelos también depende de factores externos como el contenido de humedad y la presión en los fluidos que ocupan los vacíos.
En este trabajo se presentan resultados de las curvas características de suelos volcánicos, obtenidos del proyecto de investigación Estudio del Flujo a Través de Medios no Saturados Orientado a los Procesos de Infiltración en Suelos Volcánicos del Oriente Antioqueño.
La curva característica de los suelos es una función que representa la relación que existe entre la succión matricial y el contenido de humedad o el grado de saturación del suelo. Actualmente es aceptado que la curva característica de los suelos es útil para predecir su comportamiento.
2 POTENCIAL TOTAL Y SUCCIÓN
El concepto de potencial capilar en los suelos parcialmente saturados fue introducido por
Buckingham en 1907 (Citado por Jucá, 1993) y lo definió como el trabajo a realizar para desplazar, en sentido contrario al de las fuerzas capilares, la unidad de masa de agua del suelo hasta el agua libre es la presión atmosférica, a la cual se asigna un potencial nulo.
También hizo notar que el potencial matricial es función del grado de saturación, disminuye a medida que aumenta la humedad del suelo, ya que disminuyen las fuerzas que retienen al agua. Se puede demostrar que el potencial capilar en cualquier punto de la masa de suelo es numéricamente igual a la tensión del agua en cualquier punto, pero con signo contrario.
El potencial total se define como la suma de potencial capilar y gravitacional. En estado de equilibrio de humedad, el potencial capilar sería nulo a la altura del nivel de agua y crecería linealmente a medida que se desplazara por encima de este nivel. Este concepto ha venido evolucionando desde estos primeros trabajos incluyéndose otras componentes como son las debidas a los a los fenómenos osmóticos y a campos de fuerzas.
Desde la década de los 50s del siglo XX, varios trabajos geotécnicos han destacado la importancia del potencial del agua en las características de retención y flujo de los suelos parcialmente saturados así como en su comportamiento mecánico. Fue a finales de esta década que se presentó una nueva definición para el potencial por parte de Bolt & Miller (1958, Citado por Jucá, 1993) quienes lo definieron como la mínima energía por unidad de masa, necesaria para desplazar un volumen infinitesimal de agua de un estado de referencia dado hasta otro punto de la fase líquida que permanezca en estado de reposo y consta de los potenciales: osmótico o de soluto, presión, gravitacional y adsorción. p m g o t =Φ +Φ +Φ +Φ Φ (1)
Donde los subíndices t, o, g, m y p indican diferencian los potenciales total, osmótico, gravitacional, matricial o capilar y de presión respectivamente.
Fredlund & Morgestern (1977) concluyeron que las variables del estado de esfuerzos de un suelo no saturado son el esfuerzo normal neto y la succión matricial. A su vez el contenido de agua en un suelo no saturado es una función de la succión presente en el suelo. Esta relación entre el contenido de agua y la succión puede ser expresada como un gráfico de
contenido volumétrico de agua contra la succión, la cual es conocida como curva característica del suelo. 3 CURVA CARACTERÍSTICA DE UN SUELO
También denominada curva de retención suelo-agua en la ciencia de los suelos, la curva característica de un suelo (SWCC) define la habilidad de un suelo de almacenar y soltar agua. Se ha observado experimentalmente que las curvas pueden tener forma de S o de J, a las curvas con esta forma se les conoce como sigmoides (Leong & Rahardjo, 1997a), y que presentan histéresis, esto es, que para un valor dado de contenido de humedad, existen succiones matriciales mayores para la desorción (secado) que para la absorción (humedecimiento).
La histéresis es debida principalmente a: las diferencias de tamaños entre los poros primarios y las gargantas que interconectan los poros, cambios en el ángulo de contacto agua-sólido entre el humedecimiento y el secado, y al aire atrapado. Debido a la dificultad experimental para medir la curva de absorción, usualmente sólo se mide la porción de desorción de la curva (Tinjum et al., 1997).
Las curvas características presentan como propiedad que el contenido volumétrico de agua, cuando la succión toma un valor de cero, corresponde a la porosidad del suelo, la cual representa el volumen total de agua que el suelo puede almacenar (θs).
Considerando una curva en forma de S, la succión matricial del suelo que corresponde al drenaje inicial de los poros del suelo (La primera transición desde la zona plana a la inclinada) es referida como la presión de entrada de aire (Ψr) y el contenido de agua en el cual la SWCC comienza a aplanarse después de la presión de entrada de aire es llamado el contenido residual de agua (θr). Se ha determinado que el valor de la succión del suelo, cuando el contenido de agua es cero, es aproximadamente 1.000.000 kPa (Fredlund et al., 1994)
En la literatura se han propuesto ecuaciones para representar la forma de las curvas equivalentes (Leong & Rahardjo, 1997a y Tinjum et al., 1997) que pueden depender de tres o cuatro parámetros, sin embargo, Leong & Rahardjo (1997a) comparando los resultados de 8 diferentes ecuaciones presentadas en la literatura con datos experimentales, concluyeron que la ecuación que mejor describe la forma de estas curvas es la propuesta de Fredlund & Xing (1994):
( )(
)
m n r s r w a e C ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Ψ + − Ψ + = ln θ θ θ θ (2)Donde: e: es el número de Euler a: es una constante en kPa
n y m: son constantes adimensionales
θw: es el contenido de humedad volumétrica del suelo
θr: es el contenido de humedad volumétrica residual del suelo
θs: es el contenido de humedad volumétrica cuando el suelo está saturado
C(Ψ): es un factor de corrección definido como
( )
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Ψ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ Ψ Ψ + − = Ψ r r C 000 . 000 . 1 1 ln 1 ln 1 (3) Ψ: es la succión en kPaΨr: es la presión de entrada de aire en kPa
La ecuación se puede reescribir definiendo un contenido de humedad volumétrico paramétrizado Θ:
(
)
(
s r)
r w θ θ θ θ − − = Θ (4) Quedando la ecuación de la siguiente manera:( )
m n a e C ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Ψ + Ψ = Θ ln (5)Numerosos investigadores han establecido que existe un excelente relación entre la curva característica del suelo con el comportamiento de los suelos no saturados como el coeficiente de permeabilidad (Jucá, 1993; Fredlund & Meerdink, 1996; Leong & Rahardjo, 1997b; Chiu & Shakelford, 1998; Choo & Yanful, 2000; Siilers & Fredlund, 2001; Singh & Kuriyan, 2002; Singh & Kuriyan, 2003, Fredlund 2003; Yang et al., 2004), y muchas otras propiedades del suelo como la resistencia al corte, la difusión química, la adsorción química, calor especifico, conductividad térmica y cambio de volumen (Fredlund & Rahardjo, 1993;
Jucá, 1993; Sillers & Fredlund, 2001; Blatz et al., 2002; Fredlund, 2003;).
Queda en evidencia la utilidad que representa la determinación de la curva característica de un suelo para la mecánica de suelos, aunque, la determinación de la succión es todavía un proceso con algunas dificultades. Existen diversas metodologías para la medición de la succión, cada una con sus ventajas y desventajas propias.
4 MEDICIÓN DE LA SUCCIÓN
Existen básicamente dos tipos de técnicas para medir la succión en el suelo, las primeras basadas en un planteamiento mecánico o directas y las segundas en un planteamiento termodinámico o indirectas. Como técnicas mecánicas se tienen la placa de succión, la placa de presión (Jucá, 1993; Fredlund, 2003), la membrana de presión, el tensiómetro (Singh & Kuriyan, 2003) y la centrífuga (Kanzode, et al., 2002). Entre las técnicas termodinámicas se destacan desecador de vacío, el psicrómetro y el papel de filtro (Jucá, 1993; Leong et al., 2002).
La utilización de estas técnicas combinadas con las técnicas de ensayo tradicionales en mecánica de suelos, permite determinar la variación de algunas propiedades del material con la succión, como cámaras triaxiales y edométricas altamente instrumentadas (Jucá, 1993; Fredlund, 2003), centrífugas (Kanzode, et al., 2002), tensiómetros (Singh & Kuriyan, 2003), censores térmicos (Nichol et al., 2003) hasta aquellos que sólo permiten estimar de forma indirecta el valor de la succión como es el método del papel filtro (Jucá, 1993; Leong et al., 2002).
En la literatura técnica se proponen también métodos para estimar la curva de retención del suelo a partir de propiedades físicas del suelo como la granulometría (Fredlund et al., 2002; Aubertin et al., 2003). En este apartado no se pretende mostrar todas las metodologías existentes para determinar la succión del suelo, ni la curva de retención, sino aquella que será usada en este trabajo.
5 ENSAYO DE PLACA DE PRESIÓN Y MEMBRANA DE PRESIÓN
Estos dos métodos utilizan células similares, pero se diferencian en el sistema de drenaje. Esto es, en la placa la presión se utiliza una piedra porosa de alto valor de resistencia y en la membrana de presión se utiliza una membrana semipermeable (permeable al agua e impermeable al aire) de celulosa regenerada.
El ensayo se realiza colocando la nuestra sobre la parte drenante de la célula (Placa o membrana) que se encuentra situada sobre una piedra porosa (de granos gruesos) saturada en contacto con agua a presión atmosférica. Cuando todo el conjunto está encerrado se introduce el aire en la célula a una presión determinada. La presión del aire de los poros del suelo aumentará en una cantidad igual a la cual se elevo la presión del aire de la célula, produciéndose una transferencia de humedad entre la muestra y el sistema de drenaje.
Se permite el drenaje del agua hasta que cese el flujo de agua, después de lo cual se determinan el contenido de humedad y la densidad aparente del suelo. Con estos datos y la presión aplicada en la cámara se realiza un gráfico de succión en función de la humedad o del grado de saturación. Se acostumbra usar el contenido de humedad volumétrica en lugar de la humedad gravimétrica. 6. CENIZAS VOLCÁNICAS
La región conocida como el oriente antioqueño, y que es la zona en la que se desarrolla este estudio, está localizada en la parte norte de la Cordillera Central de Colombia entre las coordenadas E835000 N1135000 a E875000 N1190000, con alturas entre 2650 y 2950 m sobre el nivel del mar y tiene un área de aproximadamente 500 km2. la zona presenta varias zonas planas entre las que se destacan los altiplanos de San Nicolás y la Unión.
La temperatura promedio varía entre 17°C y 20°C y el régimen de precipitación es bimodal con dos periodos mayores de lluvia en abril-mayo y septiembre-noviembre, la precipitación media anual es de 2150 mm, variando entre 2000 mm en la zona central y 2400 en la zona occidental, hasta valores máximos de 2800 mm en los sectores oriental y suroriental.
Las zonas de vida presentes en el área de estudio corresponden a bosque húmedo montano bajo y bosque muy húmedo montano bajo (Arias, 2002).
La geología de la región está formada por rocas cristalinas fracturadas: granitoides del batolito antioqueño, serpentinitas, metasedimentos, y anfibolitas del grupo Ayurá-Montebello, a partir de las cuales se ha desarrollado un grueso regolito, cuyo espesor medio es de 65 m y en algunos sitios supera los 200 m.
Los perfiles de meteorización de las rocas del batolito antioqueño se componen de varios metros de suelo residual maduro, un saprolito que puede alcanzar varias decenas de metros y una zona de gruss hasta de varios centenares de metros de
espesor. Por el contrario, los perfiles de suelos originados partir de las anfibolitas son menos espesos. En algunas zonas de la región se presentan depósitos aluviales y de ladera, muy puntuales.
Por lo general todos los depósitos de suelos se encuentran cubiertos por una capa de suelos arcillosos de origen volcánico (cenizas volcánicas) que presentan espesores variables entre 1 m y 2 m, aunque en algunos lugares el espesor puede ser mayor.
Las cenizas volcánicas son partículas originadas del magma, fundidas y expulsadas al exterior donde se solidifican. Estas partículas reflejan la composición del magma y su tamaño depende del tipo y la violencia de la erupción.
Particularmente las cenizas volcánicas que se encuentran en la región estudiada, y toda la región cafetera, provienen en gran parte de las erupciones del Ruiz y de sus volcanes vecinos (Valencia & Arenas, 1998).
El material volcánico original de composición básica y que existe en forma de tufas, flujo de lodo, arenas tufáceas y particularmente cenizas, se meteoriza por diferentes procesos que dan como resultado una descomposición física y química del material parental (Valencia & Arenas, 1998).
La intensidad de tales procesos depende de varios factores como su composición mineralógica, ya que uno de sus principales componentes, la alofana, marca una etapa importante durante este proceso. Este componente retiene aniones y reacciona con compuestos húmicos quedando en disposición de establecer uniones con los materiales arcillosos presentes en el suelo. (Valencia & Arenas, 1998).
Las cenizas volcánicas finas, como las que se encuentran en el Oriente Antioqueño, presentan un comportamiento muy distinto de sus propiedades en estado inalterado y remoldeado. La edad de los suelos, el transporte y la precipitación en la zona son los factores que determinan la magnitud del cambio. Valencia & Arenas (1998) estudiaron el comportamiento de las cenizas volcánicas en la compactación para obras de ingeniería.
La alofana es un mineral arcilloso que carece de organización estructural por lo cual la identificación de él por medio del ensayo de difracción de rayos X no s posible. Como producto de la meteorización de la alófana se presenta otro mineral, llamado haloysita, que va a determinar cambios en las propiedades de las cenizas volcánicas en estado natural y secado al aire.
La haloysita presenta una forma tubular, lo cual hace que al extraer por secado, el agua que ocupaba el interior de los tubitos, es imposible volverlos a
llenar ya que estos quedan cerrados, con abertura menor que el tamaño de las moléculas de agua.
Las cenizas volcánicas se caracterizan por altos contenidos de humedad gravimétrica, que en las determinaciones realizadas en este trabajo, por lo general fueron superiores al 120%. Otra característica de estas cenizas es el bajo valor de la densidad seca, que en las determinaciones realizadas fue de 0.5 g/cm3 en promedio.
Tanto el alto contenido de humedad como la densidad seca son un reflejo de la alta porosidad de estos suelos, ya que la gravedad relativa de los sólidos es de 2.5 en promedio.
7 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE CENIZAS Se determinaron las curvas características de tres muestras inalteradas de cenizas volcánicas tomadas en un talud de la carretera Medellín-Bobotá en el municipio del Santuario. Las curvas características se determinaron por el medio de placa de presión o placa de Richards. En la Figura 1 se observan los resultados obtenidos en los ensayos en términos de la humedad volumétrica del suelo y en la Figura 2 en términos del grado de saturación.
En la Figura 1, se observa que para la presión máxima aplicada, 1500 kPa, los contenidos de humedad volumétrica varían entre 47% y 52%, valor de humedad muy alta comparada con los valores determinados para otros suelos y reportados en la literatura técnica. Por ejemplo Fredlund et al. (2002) presentan curvas característica para diferentes suelos y el contenido gravimétrico de agua correspondiente a este nivel de presiones es de aproximadamente 12% para arcillas y limos, y de 5% para arenas. Meerdink et al. (1996) encontraron para arcillas compactadas valores del contenido de humedad menores al 10% para este mismo rango de presiones. Singh & Kuriyan (2003) encontraron para un limo, contenidos de humedad muy cercanos a 0% para estas presiones. Valores similares son reportados por Khanzode et al. (2002) y Sillers & Fredlund (2001) entre otros. 40.00 45.00 50.00 55.00 60.00 65.00 70.00 75.00 1 10 100 1000 10000
Succión matricial (kPa)
Humedad vol u metri ca (%) Cilindro 1 Cilindro 2 Cilindro 3
Figura 1. Curva característica de los suelos volcánicos del oriente antioqueño en términos del contenido de humedad volumétrica.
Se aprecia también que la forma de la curva se ajusta a una S o sigmoide, tal y como se podría esperar según los planteamientos teóricos analizados antes. La forma de la sigmoide se afecta un poco por los valores de los puntos correspondientes a la presión de 1500 kPa, lo cuales bajan súbitamente respecto a la tendencia que mostraban los datos. Esto llevaría a pensar que pudo haber un error en las determinaciones, pero en las tres muestras analizadas se dio el mismo fenómeno. Se considera que puede ser necesario ampliar las mediciones para rangos mas altos de presión para poder analizar completamente el comportamiento de este suelo.
Del anterior análisis se aprecia que las cenizas volcánicas analizadas, presentan curvas características cuya forma es similar a la de otros suelos, pero que difieren de los demás suelos porque para altos valores de succión presentan altos contenidos de humedad, lo cual indica que buena parte de esta agua se encuentra atrapad por las partículas de suelo, impidiendo su extracción por medios mecánicos. En la Figura 2, se aprecia que la curva en términos del grado de saturación, presenta la misma forma de sigmoide observada en el gráfico de humedad contra succión de la Figura 1.
40.00
Figura 2. Curva característica de los suelos volcánicos del oriente antioqueño en términos del grado de saturación. 45. 50. 00 00 55.00 60.00 00 70.00 75.00 80.00 1 10 100 1000 10000
Succión matricial (kPa)
H um edad v olum ét ric a (%) Cilindro 1 65. Cilindro 2 Cilindro 3 Serie5 Serie6 Serie7
También se debe resaltar en la Figura 2, que los valores de saturación son altos comparados con los de otros suelos para estos mismos niveles tensionales. Esto debido a los altos contenidos de humedad y de saturación que los suelos presentan en la condición natural, y por la capacidad de los minerales para retener agua gracias a su tamaño y a la forma aplanada, alargada o tubular.
Para evaluar la aplicabilidad en estas cenizas volcánicas, de las ecuaciones para curvas características de suelos, se analizó la Ecuación 2 (Fredlund & Xing, 1994) con C(ψ)=1, realizándose un ajuste de curvas a los datos experimentales. Para este fin se utilizó la herramienta solver del programa Microsoft Excel para minimizar la suma del cuadrado del error:
(
∑
= − n i1 ti ei 2 θ θ)
(6)Donde θti es el valor de la humedad calculada con la ecuación 3 y θei es el valor determinado experimentalmente.
Después de un proceso iterativo se logró obtener el menor valor posible de la ecuación 6. En la Figura 3, se presenta la curva obtenida por el ajuste numérico superpuesta con las curvas experimentales, y en la Tabla 1 se presentan los parámetros obtenidos para cada curva.
Figura 3. Curva de Fredlund & Xing ajustada a los datos experimentales. Las series 5, 6 y 7 son las curvas ajustadas.
Como se aprecia en la Figura 3, las ecuaciones determinadas describen solo de forma muy aproximada las curvas experimentales. La falta de ajuste de las curvas teóricas a las experimentales se evidencia también en los valores relativamente altos del error presentado en la Tabla 1. Se considera que estos errores son altos, comparados con valores reportados para otros tipos de suelo por Leong & Rahardjo (1997) quienes obtuvieron ajustes para
estas curvas con valores del error menores que 1.3x10-3 para varios tipos de suelos como arcillas y limos.
Cabe anotar que con la herramienta usada para el calculo de las ecuaciones y con las ecuaciones definidas, la solución hallada no es la única y esta depende en buena medida de los valores iniciales adoptados para a, n y m. En los valores de la Tabla 1, los valores del parámetro a son muy pequeños, lo que se refleja en un corrimiento de las curvas hacia la izquierda.
Se aprecia que los puntos experimentales son pocos para describir adecuadamente la curvatura de las ecuaciones.
Tabla 1. Parámetros determinados para las curvas características de con la ecuación de Fredlund & Xing (1994).
Parámetro Cilindro 1 Cilindro 2 Cilindro 3
θs 63 67 70 θr 50 55 56 ψr 700 600 600 a 0.00024 0.00022 4.68652E-05 n 1.98142 1.69159 1.00339 m 151.47822 1.00000 78.44203 Error 4.92821 6.86061 3.46687 8 CONCLUSIONES 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 1 10 100 1000 10000
Succión matricial (kPa)
Gr
ado de satur
ación (%) Cilindro 1
Cilindro 2 Cilindro 3
Se determinaron las curvas características de un suelo volcánico de granos finos y se verificó la coincidencia de los resultados experimentales con curvas teóricas. Las curvas características de las arcillas determinadas experimentalmente presentan una forma sigmoidal, tal y como se ha determinado en otros tipos de suelo, sin embargo los valores de humedad y de saturación correspondientes a las más altas presiones, son mucho mayores que los registrados en la literatura para diferentes tipos de suelo.
Las curvas determinadas a partir de la ecuación de Fredlund & Xing (1994) solo describen parcialmente la tendencia determinada en forma experimental. Se buscó la combinación que minimizara la sumatoria del cuadrado del error, sin embargo este valor sigue siendo alto cuando se compara con valores determinados para otros suelos.
En las cenizas volcánicas estudiadas resulta difícil extraer el agua aún mediante la aplicación de altas presiones en los poros, lo cual es indicador de que la presencia de agua libre en estos materiales es limitada.
El comportamiento de las cenizas volcánicas difiere considerablemente del comportamiento de otros suelos, lo cual se comprueba por medio de las curvas características del material, que se esperaría que fueran similares a las de las arcillas, sin embargo esto no es así. Este comportamiento puede atribuirse a la capacidad de esto suelos de almacenar agua que no está libre sino que está atrapada por las partículas de minerales como la alófana y la haloysita.
Para despejar algunas dudas que surgen respecto a la capacidad de almacenar agua de estos suelos volcánicos, se deben realizar nuevas curvas características en las cuales se determine un número mayor de puntos experimentales y sobre todo en las cuales se puedan evaluar mayores presiones. Esto es importante para el proyecto de investigación que se viene desarrollando, ya que la infiltración del agua en los suelos está estrechamente relacionado con las curvas características.
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