Modelación en centrífuga de la migración de agua en suelos parcialmente saturados

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(1)MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. CARLOS MEDINA MARTÍNEZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL - GEOTECNIA BOGOTA D.C. ENERO 28 DE 2004.

(2) MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. CARLOS MEDINA MARTÍNEZ. TESIS DE GRADO PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL. Director: ING. BERNARDO CAICEDO HORMAZA, Ph.D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL - GEOTECNIA BOGOTA D.C ENERO 28 DE 2003.

(3) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. DEDICATORIA. El desarrollo de este trabajo está dedicado especialmente a mi madre, el ser que me dio la vida y que siempre inculcó en mi valores como el optimismo y la perseverancia. A mis hermanos, las personas que siempre han estado apoyándome y animándome en los momentos más difíciles, cuando siento que todas mis fuerzas flaquean. A mi padre terrenal, que desde el cielo siempre me ha guiado para lograr hacer realidad todos mis sueños. A Dios, por siempre mostrarme la luz, la sabiduría y el camino hacia el éxito.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. iii.

(4) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. AGRADECIMIENTOS. El autor expresa sus agradecimientos a todas las personas que de una u otra manera aportaron su trabajo y dedicación para el correcto desarrollo de este proyecto de investigación. Al Doctor Bernardo Caicedo, profesor de la Universidad de los andes, ya que sin su asesoría y orientación hubiese sido imposible la realización de este estudio. A Julieth Monroy, técnica en instrumentación del Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico, CITEC, por su dedicación en la parte de la Instrumentación de los equipos y accesorios utilizados en las diferentes modelaciones. A todo el personal que labora en la sección de los Laboratorios de Suelos del CITEC.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. iv.

(5) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. CONTENIDO Pág.. INTRODUCCIÓN. xv. 1.. MARCO TEÓRICO. 17. 1.1.. RESEÑA HISTÓRICA DE LA MECÁNICA DE LOS SUELOS NO SATURADOS. 17. SUELOS. 18. 1.2 1.2.1 1.2.1.1 1.2.1.2 1.2.1.3 1.2.1.4 1.2.1.5 1.2.1.6 1.2.1.7 1.2.1.8. SUELOS NO SATURADOS Origen Comportamiento de los suelos no saturados Fases componentes de los suelos no saturados Permeabilidad en los suelos no saturados Clasificación de los suelos no saturados Estructura de los suelos no saturados Succión en los suelos no saturados Comportamiento deformacional de los suelos no saturados. 18 18 19 20 22 25 26 28 29. 1.2.2. 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3 1.2.2.4 1.2.2.5 1.2.2.6 1.2.2.7 1.2.2.8 1.2.2.9 1.2.2.10 1.2.2.11 1.2.2.12 1.2.2.13. SUELOS ARCILLOSOS Origen y formación Minerales presentes y estructura química Clasificación de las arcillas Propiedades físico-químicas de las arcillas Presencia de materia orgánica Factores que afectan el hinchamiento de los suelos arcillosos Identificación de los suelos expansivos Desarrollo de la presión de expansión Evaluación aproximada del potencial de expansión Factores que controlan la resistencia al cambio de volumen Relación succión vs. Contenido de agua Medición de la Succión Curvas características suelo-agua (SWCC). 32 32 33 34 35 42 42 43 44 44 46 48 48 48. 1.2.3.. VARIABLES DE ESTADO TENSIONAL EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 51. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. v.

(6) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 1.3. MIC-2004-I-45. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA. 53. 1.3.1. DESARROLLO DE LA MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA. 53. 1.3.2. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA. 54. 1.3.3 1.3.3.1 1.3.3.2. LEYES DE ESCALA PARA MODELOS SEMI-ESTÁTICOS Dimensiones Lineales Consolidación (Difusión) y Flujo. 55 55 59. 1.3.4 1.3.4.1. GENERALIDADES DE FACTORES Y LEYES DE ESCALA Efectos de Escala. 61 61. 1.3.5. EFECTOS DEL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS. 61. 1.3.6 1.3.6.1. CAMPO DE ACELERACIÓN ROTACIONAL Aceleración de Coriolis. 62 62. 1.3.7. EFECTOS DE CONSTRUCCIÓN. 63. 1.3.8. MODELOS DE PRUEBA. 64. 1.3.9 1.3.9.1. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS Los Contenedores. 65 65. 1.3.10 1.3.10.1. DISEÑO DEL MODELO Preparación del Modelo. 66 66. 2.. MODELACIÓN DEL FENÓMENO. 68. 2.1. CARACTERÍSTICAS DEL PROTOTIPO. 68. 2.2 CARACTERIZACIÓN DE LOS MODELOS 2.2.1 DETERMINACIÓN DE LAS DIMENSIONES DE LOS MODELOS 2.2.2 ESCOGENCIA DEL MATERIAL A UTILIZAR 2.2.2.1 Ensayos de laboratorio. 69 69 70 70. 2.2.3. 71. FABRICACIÓN DE MUESTRAS EXPANSIVAS. 2.3 EQUIPO UTILIZADO 2.3.1 MÁQUINA CENTRÍFUGA 40g Ton 2.3.2 MÁQUINA CENTRÍFUGA PEQUEÑA 2.3.3 CONTENEDORES 2.3.4 OTROS ACCESORIOS MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 71 72 72 73 74 vi.

(7) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. 2.4. DETERMINACIÓN DE LOS TIEMPOS DE VUELO. 74. 2.5. DETERMINACIÓN DE LA CAPA DE AGUA. 75. 2.6 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS 2.6.1 SECADO Y TRITURADO DEL MATERIAL 2.6.2 COMPACTACIÓN DEL MATERIAL. 75 75 76. 2.7. INSTRUMENTACIÓN DE LOS MODELOS 2.7.1 MODELOS A N=200g Y N=400g 2.7.2 MODELO A N=100g. 77 77 79. 3.. 80. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS. 3.1 MODELACIONES EN LA CENTRÍFUGA PEQUEÑA 3.1.1 MODELACIÓN A 400g 3.1.2 MODELACIÓN A 200g. 80 80 82. 3.2. MODELACIONES EN LA CENTRÍFUGA GRANDE. 83. 3.2. ANÁLISIS. 85. 4.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 87. 5.. REFERENCIAS. 88. ANEXOS. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 89. vii.

(8) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. LISTA DE FIGURAS Pág.. Figura 1. Variación de la presión de poros con la profundidad. 22. Figura 2. Variación de la succión con la profundidad. 23. Figura 3. Relación de Histéresis entre el contenido de agua volumétrica y la succión matricial de un suelo. 23. Relación de Histéresis entre el coeficiente de permeabilidad y la succión matricial de un suelo. 24. Figura 5. Estructuras floculada y dispersa de una arcilla y cargas de la misma. 26. Figura 6. Comportamiento expansivo y colapsable de un suelo no saturado. 30. Figura 7. Estructura tetraédrica de los minerales arcillosos. 33. Figura 8. Estructura octaédrica de los minerales arcillosos. 33. Figura 9. Estructura de la caolinita. 34. Figura 10. Estructura de la ilita. 35. Figura 11. Estructura de la montmorillonita. 35. Figura 12. Modelo físico de la capilaridad. 41. Figura 13. Criterio de Seed, Woodward y Lundgren para evaluar el potencial de expansión de una arcilla. 45. Relación entre el contenido de agua volumétrica de un suelo y la succión matricial. 48. Figura 15. Aparato de placa de presión. 49. Figura 16. Componentes de una curva característica suelo-agua. 49. Figura 17. Curva de retención de agua para una arena limosa. 50. Figura 4. Figura 14. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. viii.

(9) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. Figura 18. Efecto del radio de los huecos en la capilaridad. Figura 19. Esfuerzo inercial en un modelo correspondiente al esfuerzo gravitacional en el prototipo 56. Figura 20. Comparación de la distribución de esfuerzos en el prototipo y el modelo 57. Figura 21. Definición del gradiente hidráulico. 59. Figura 22. Esquema del prototipo y los modelos correspondientes. 70. Figura 23. Esquema montaje de modelos en la centrífuga pequeña. 77. Figura 24. Comportamiento de las muestras a N=400g. 81. Figura 25. Comportamiento de las muestras a N=200g. 82. Figura 26. Comportamiento del modelo a N=100g. 84. Figura 27. Comportamiento expansivo del modelo a N=100g. 84. Figura 28. Comportamiento expansivo del prototipo. 85. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 50. ix.

(10) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. LISTA DE TABLAS Pág.. Tabla 1. Superficie específica de los minerales arcillosos. 36. Tabla 2. Capacidad de Intercambio catiónico de los minerales arcillosos. 37. Tabla 3. Actividad de varios minerales arcillosos. 40. Tabla 4. Resumen de diferentes equipos y técnicas de medida de la succión. 51. Tabla 5. Leyes de escala para modelación centrífuga. 61. Tabla 6. Dimensiones de los diferentes modelos. 69. Tabla 7. Resultados de ensayos realizados al material utilizado. 70. Tabla 8. Tiempos de vuelo para los diferentes modelos. 75. Tabla 9. Altura y volumen de agua para los diferentes modelos. 75. Tabla 10. Resumen datos obtenidos en la modelación a N=400g. 81. Tabla 11. Resumen datos obtenidos en la modelación a N=200g. 82. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. x.

(11) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. LISTA DE FOTOGRAFÍAS Pág.. Fotografía 1. Máquina centrífuga grande empleada en la modelación. 72. Fotografía 2. Máquina centrífuga pequeña empleada en la modelación. 73. Fotografía 3. Moldes de acero para las modelaciones a N=400g y N=200g. 73. Fotografía 4. Moldes de acero para las modelaciones a N=100g. 73. Fotografía 5. Montaje de los accesorios en la Centrífuga pequeña. 74. Fotografía 6. Deformímetro digital. 74. Fotografía 7. Material arcilloso secado al aire libre. 76. Fotografía 8. Trituración manual del Material arcilloso. 76. Fotografía 9. Adición de agua al material arcilloso. 76. Fotografía 10. Material arcilloso a la humedad requerida (sin grumos). 76. Fotografía 11. Prensa Hidráulica para aplicación de cargas verticales (Versa Tester). 77. Fotografía 12. Compactación de Muestras. 77. Fotografía 13. Montaje de los moldes en la centrífuga. 78. Fotografía 14. Lámina de acrílico perforada sobre la muestra de material. 78. Fotografía 15. Montaje del estroboscopio sobre la canastilla de la centrífuga. 78. Fotografía 16. Vista de la muestra durante el vuelo. 78. Fotografía 17. Modelo a N=100g terminado. 79. Fotografía 18. Montaje del modelo en la centrífuga. 79. Fotografía 19. Conexión del deformímetro a la centrífuga. 79. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. xi.

(12) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. Fotografía 20. Deformímetro usado en el modelo a N=100g. 79. Fotografía 21. Aspecto final de los modelos a N=400g luego de la modelación. 82. Fotografía 22. Aspecto final de los modelos a N=400g luego de la modelación. 82. Fotografía 23. Aspecto final del modelo a N=200g luego de la modelación. 83. Fotografía 24. Aspecto final del modelo A N=200g luego de la modelación. 83. Fotografía 25. Aspecto final del modelo A N=100g luego de la modelación. 85. Fotografía 26. Aspecto final del modelo A N=100g luego de la modelación. 85. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. xii.

(13) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. LISTA DE ANEXOS Pág.. Anexo N° 1. límites de Atterberg del suelo utilizado. 90. Anexo N° 2. Análisis Granulométrico del suelo utilizado. 91. Anexo N° 2.1 Gráfica del Análisis Granulométrico del suelo utilizado. 92. Anexo N° 3. Ensayo de Gravedad específica del suelo utilizado. 93. Anexo N° 4. Ensayo del Proctor estándar del suelo utilizado. 94. Anexo N° 4.1 Gráfica del Proctor estándar del suelo utilizado. 95. Anexo N° 5. Ensayo del peso unitario del suelo utilizado. 96. Anexo N° 6. Ensayo de Expansión Controlada del suelo utilizado. 97. Anexo N° 6.1 Gráfica del Ensayo de Expansión Controlada del suelo utilizado. 98. Anexo N° 7. Ensayo de contenido de materia orgánica. 99. Anexo N° 8. Planos de moldes modelaciones a N=400 y N=200. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 100. xiii.

(14) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. RESUMEN. El objetivo principal de este trabajo de investigación fue analizar el comportamiento expansivo de un suelo arcilloso parcialmente saturado cuando se encuentra sometido a un cambio en su contenido de humedad. El prototipo escogido para este estudio corresponde a un estrato tipo de la región lacustre de la Sabana de Bogotá. La muestra fabricada es sometida a un período de inundación de seis meses, tiempo en el cual el estrato de arcilla presentó niveles de expansión similares a los obtenidos mediante ensayos de laboratorio. Los datos obtenidos permitieron la verificación de dos de las relaciones de escala que se ven involucradas en un fenómeno de flujo de agua a través de un suelo no saturado, para lo cual fue necesario usar modelos en centrifuga a diferentes niveles de aceleración.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. xiv.

(15) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. INTRODUCCIÓN. En la actualidad no existe un conocimiento amplio y específico de los mecanismos y características que gobiernan el comportamiento de los suelos no saturados, debido a que los factores que influyen en dicha conducta son numerosos, bastante complejos y difíciles de cuantificar. Esto se debe principalmente a que la mecánica de suelos tradicional se ha desarrollado en su gran parte para los casos de suelos secos o totalmente saturados, sin tener en cuenta que los suelos parcialmente saturados son los más frecuentes en muchas regiones áridas y semiáridas del planeta, y los trabajos investigativos sobre dichos suelos han sido en su gran mayoría de naturaleza empírica. En los últimos años se han realizado numerosas investigaciones tendientes al conocimiento más profundo del comportamiento de los suelos no saturados, los cuales han permitido enfocar los problemas prácticos planteados al ingeniero geotécnista, desde una base conceptual más lógica y aceptada. Gran parte de los comportamientos que experimenta un suelo parcialmente saturado están relacionados con la deformación volumétrica. Es por ello, que varios autores habían llamado anteriormente la atención sobre la tendencia de los suelos no saturados a experimentar cambios de volumen cuando se inundaban. Por otra parte hay una gran diversidad de suelos parcialmente saturados, muchos de ellos con características o comportamientos particulares, como arcillas expansivas muy plásticas (con hinchamiento y retracción en ciclos de mojado y secado), depósitos aluviales (suelos colapsables cuando presentan una estructura abierta), coluviales y eólicos, suelos compactados, etc. Es de trascendental importancia para el Ingeniero Geotécnista el conocimiento de las características de expansibilidad de los suelos arcillosos parcialmente saturados cuando se encuentran sometidos a un fenómeno de cambio en su contenido de humedad. Ya que los cambios volumétricos presentados por este tipo de suelo en presencia de agua son una de las principales causas de perdidas económicas y de tiempo en las obras de construcción de nuestro país. El objetivo principal de este estudio es el de contribuir en cierta forma a lograr un mejor entendimiento de los factores que controlan el comportamiento de los suelos arcillosos parcialmente saturados, dado que estos se presentan en gran porcentaje en nuestro territorio. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. xv.

(16) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-I-45. Gracias al desarrollo de la modelación a través de la máquina centrífuga, es posible hacer simulaciones del fenómeno de la migración de agua sobre suelos no saturados, accediendo de esta manera a cierta información que permita conocer de una mejor forma el comportamiento estructural del suelo sobre el que se piense trabajar. Uno de los principios de mayor importancia de la modelación en centrífuga, es la verificación de las relaciones de escala usadas para la correcta interpretación de los datos obtenidos en las pruebas de los modelos, en términos del comportamiento del respectivo prototipo. Este informe escrito sobre el desarrollo de las diferentes modelaciones en centrífuga realizadas, se encuentra dividido en cuatro capítulos principales. En el primero de ellos se recopiló información que sirviera como marco teórico y lograr así un adecuado entendimiento, por parte de los lectores, sobre los temas tratados. Este inicia con una reseña de la mecánica de los suelos no saturados, continua con una descripción del tipo de suelo con el que se iba a trabajar y su comportamiento característico ante la presencia de agua y termina con una exposición de los aspectos de mayor importancia de la modelación en centrífuga. El segundo capítulo hace una descripción del fenómeno a modelar, así como también de todo el proceso en la determinación del prototipo y la caracterización de los diferentes modelos. En este capitulo se hace una explicación de todos los procesos en la fabricación de las muestras con las características expansivas esperadas. En el tercero se realiza un análisis de todos los datos obtenidos de las diferentes modelaciones, los cuales estaban encaminados a la verificación de dos de las principales relaciones de escala que intervienen en un problema de flujo de agua a través de un suelo parcialmente saturado. En el cuarto capítulo, se lleva a cabo un resumen de algunos de los aspectos de mayor importancia e interés observados a lo largo del desarrollo de este trabajo de investigación.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. xvi.

(17) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. 1.. 1.1.. MARCO TEÓRICO. RESEÑA HISTÓRICA DE LA MECÁNICA DE LOS SUELOS NO SATURADOS. Durante muchos años los estudios de la mecánica de suelos han puesto un especial énfasis en los suelos saturados, quedando los suelos parcialmente saturados relegados a un segundo plano, a pesar de que extensas regiones de la tierra están cubiertas por ellos. Para una mejor compresión de la evolución a través del tiempo de la mecánica de los suelos no saturados, esta puede ser dividida en tres períodos: En el primer período, antes de 1965, muchas de las investigaciones llevadas a cabo sobre los suelos no saturados fueron realizadas para verificar la validez del concepto de las tensiones efectivas para dichos suelos (por ejemplo Bishop, 1959 y Aitchison, 1960). Durante este período el concepto de las tensiones efectivas fue modificado con la finalidad de analizar el comportamiento de los suelos no saturados. En el segundo período, de 1965 a 1987, muchas de las investigaciones se realizaron con la finalidad de analizar la posibilidad de usar dos variables de estado tensiónales en lugar de una (por ejemplo Matyas y Radhakrishna, 1968 y Fredlund, 1979). La “tensión neta” (tensión total menos la presión de aire de poros) y “succión” (presión de aire de poros menos la presión de agua de poros) se trataron como las dos variables de estado tensional. Durante este período se desarrollaron estructuras independientes para modelar comportamientos sobre el cambio de volumen y de corte en los suelos no saturados en términos de las dos variables de estado tensional antes mencionadas. Sin embargo los comportamientos del cambio de volumen y del corte fueron tratados por separado. En el tercer período, desde 1987, varios investigadores han explorado el comportamiento de los suelos no saturados en términos del concepto del estado crítico y han tratado de determinar el límite elástico de los suelos no saturados cuando estos son sometidos a ciclos de carga y descarga (Alonso et al. 1990). Hasta entonces el comportamiento del cambio de volumen y de corte de los suelos no saturados se había tratado separadamente, pero en investigaciones recientes se han comenzado a enlazar dichos comportamientos a través del desarrollo de los modelos elastoplásticos. Así mismo, en los últimos tiempos se ha experimentado una evolución en los aparatos y técnicas de laboratorio que han permitido medir en forma más precisa dichos comportamientos.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 17.

(18) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 1.2.. MIC-2004-1-45. SUELOS. Se llama suelo a la capa superficial terrestre no consolidada, que es originada básicamente por el desgaste y la acción atmosférica de rocas en la superficie de la tierra. La fase sólida de la mayoría de los suelos está constituida principalmente por sustancias inorgánicas de diferente composición química. El material a utilizar en esta investigación corresponde a un suelo arcilloso parcialmente saturado, de modo que en el resto del capítulo se realizará una descripción detallada del fenómeno de la expansibilidad en dichos suelos al verse sometidos a cambios en su nivel de humedad.. 1.2.1. SUELOS NO SATURADOS. 1.2.1.1.. Origen. Teniendo en cuenta su origen, los suelos parcialmente saturados pueden ser clasificados en naturales o artificiales.. 1.2.1.1.1.. Suelos naturales. Con respecto a los suelos de origen natural, se han descrito en la bibliografía una gran variedad de ejemplos tanto sobre suelos sedimentarios (eólicos, aluviales, coluviales, etc.), como de suelos residuales lateríticos y saprolíticos. Gran parte de los suelos sedimentarios han sido depositados en ambientes acuosos, quedando inicialmente saturados y posteriormente desecados debido a las circunstancias ambientales. La principales causas de esta desecación son la evaporación y la acción de las plantas a través del proceso de la transpiración (las raíces de las plantas pueden llegar a aplicar succiones del orden de 10 a 15 Kg./cm2). En estas zonas, el espesor de la capa de suelo afectada por la desecación puede alcanzar los 10 mts. Estos suelos abundan en lugares de clima árido y semi-árido, en los que las estaciones son muy marcadas con períodos secos bastante prolongados. Según diversos autores, estos lugares ocupan cerca del 30 % de la superficie de la Tierra. Otros suelos sedimentarios no saturados, son los depositados en ambientes no acuosos como es el caso de los loess de origen eólico. En particular, cabe señalar el caso de las arenas eólicas que al depositarse originan una estructura con grandes huecos. Respecto a los suelos residuales, su formación está asociada a los agentes de meteorización y al tipo de roca matriz. Los suelos tropicales lateríticos y saprolíticos, frecuentemente MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 18.

(19) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. están en un estado no saturado, debido a sus características de alta permeabilidad y las condiciones climáticas en las cuales se encuentran (Vaughan, 1985). Estos suelos son originados por la intensa y profunda descomposición de la roca matriz, bajo las condiciones climáticas y biológicas que prevalecen en los trópicos.. 1.2.1.1.2.. Suelos artificiales. Dentro de los suelos artificiales se encuentran los suelos compactados utilizados en obras de tierra (presas, terraplenes, etc.), los cuales al menos en el momento de su colocación en obra están parcialmente saturados (su grado de saturación raramente alcanza el 95%). En este caso la humedad de compactación tendrá una influencia decisiva en la estructura y propiedades del suelo y según Barden (1965) es razonable aceptar ciertas similitudes de comportamiento entre los suelos compactados y los suelos naturales desecados.. 1.2.1.2.. Comportamiento de los suelos no saturados. Los fenómenos más característicos del comportamiento de los suelos no saturados se relacionan con sus deformaciones volumétricas al modificar su grado de saturación. Estas deformaciones pueden ser tanto positivas, en cuyo caso se produce un colapso, como negativas, en cuyo caso se produce un hinchamiento. Según Aitchison (1973), tanto el colapso como el hinchamiento pueden ser considerados como procesos de inestabilidad estructural, debido a que estos inducen discontinuidades en el comportamiento deformacional del suelo al variar las condiciones ambientales (cambios de humedad por ejemplo), sin modificación del estado tensional exterior. Teniendo en cuenta la importancia de los suelos expansivos y contractivos en la comprensión del comportamiento de los suelos parcialmente saturados, se presentan a continuación algunos aspectos referentes a su origen. Respecto a los suelos identificados con una estructura potencialmente colapsable, éstos tienen un origen bastante variable. La sensibilidad al colapso es determinada según el tipo de depósito, de tal forma que los suelos de origen eólico son, en general más propensos al colapso que los aluviales. Sin embargo, se han observado colapsos en suelos aluviales, coluviales, residuales o en rellenos compactados (Dudley, 1970). No obstante, Aitchison (1973) indica que dependiendo del lugar pueden existir importantes variaciones. De forma general, se observa que el origen de un suelo es de poca ayuda para conocer su potencialidad al colapso. Aitchison (1973) indica lo inadecuado en definir un suelo como colapsable, sin que antes se haya definido una estructura que a su vez depende de la cantidad de poros, del grado de saturación y del estado tensional a que esté sometido.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 19.

(20) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. En cuanto a los suelos potencialmente expansivos, hay que relacionar su origen a la presencia de partículas arcillosas que puedan provocar esta expansión. Habitualmente se consideran tres minerales arcillosos: Montmorillonita, Ilita y Caolinita; que por su abundancia respecto a otros se les considera como básicos para efecto de estudiar este fenómeno. Según Schreiner (1987), la fuente de estos minerales es una amplia gama de rocas ígneas básicas incluyendo rocas volcánicas y lavas en las que las más frecuentes son los basaltos.. 1.2.1.3.. Fases componentes de los suelos no saturados. Un suelo parcialmente saturado es un sistema trifásico compuesto por sólidos, líquidos y gases. Pero contrariamente a lo expuesto, Fredlund y Morgenstern (1977) han propuesto una cuarta fase, considerando a la interfase entre el aire libre y el agua libre como una fase independiente. Aducen que esta interfase, formada por una película de escasos milímetros de espesor, tiene propiedades distintas de las del agua y el aire a las que separa. En su análisis tensional, dichos autores consideran que dos de las fases se equilibran bajo las presiones aplicadas (partículas sólidas y “membrana contráctil”) y las otras dos fases fluyen bajo las presiones aplicadas (aire y agua). Por otro lado, en las relaciones peso–volumen se considera el suelo como un sistema trifásico, incluyendo el peso de la membrana como parte del peso del agua y no considerando su volumen. El conocimiento de las interacciones existentes entre las tres fases del sistema, constituye el punto básico para el entendimiento del comportamiento de los suelos no saturados. A continuación se comentarán algunos aspectos básicos referentes a cada una de las fases constituyentes.. 1.2.1.3.1.. Fase Sólida. Está integrada básicamente por partículas sólidas de distintos tamaños. Las propiedades más importantes de dichas partículas son: • • • •. Tamaño. Correspondiente a las fracciones gruesa y fina. Forma Textura Composición química. Correspondiente a las cargas eléctricas y la capacidad de cambio catiónico. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 20.

(21) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. Estas propiedades son, en gran medida, responsables de muchos de los comportamientos característicos de un suelo. Las partículas se disponen formando arreglos geométricos conocidos como estructura del suelo. Ésta es determinante en la respuesta del suelo especialmente en los no saturados, ya que influye en el estado de tensiones que se desarrolla en los contactos entre partículas, el aire y el agua y controla la componente capilar de la succión (Alonso et al. 1987).. 1.2.1.3.2.. Fase Líquida. La fase líquida se compone fundamentalmente del agua y de las sales disueltas en ella. De una forma clásica esta fase ha sido clasificada en tres tipos: •. Agua adsorbida en la partícula o haciendo parte de la doble capa difusa, que no puede ser separada por acciones hidrodinámicas.. •. Agua capilar, que permanece en el suelo por acción de las fuerzas capilares y pueden moverse por la acción de éstas.. •. Agua gravitacional, es aquella que puede perder el suelo en condiciones de drenaje libre por gravedad.. Desde el punto de vista hidrodinámico el agua capilar y el agua gravitacional forman una sola unidad que se denomina “agua libre”.. 1.2.1.3.3.. Fase Gaseosa. Esta fase está formada básicamente por aire y vapor de agua. Según los estudios de varios autores, la forma en que se encuentra el aire en el suelo está relacionada con la humedad o el grado de saturación del mismo. Hilf (1956) citado por Gili (1988) considera que las burbujas sólo pueden existir si el agua que ocupa los poros del suelo está saturada de aire. Según Vaughan (1985), el aire presente en el suelo tiene tendencia a agruparse ocupando completamente determinados poros en lugar de permanecer en forma de burbujas aisladas. El aire que se disuelve lo hace por la Ley de Henry y se difunde a los poros cerrados con menor presión, por lo que cuando el sistema alcanza el equilibrio, todas las bolsas de aire quedan con la misma presión. Cuando el grado de saturación del suelo es bajo, el aire puede ocupar sus canalículos que pueden estar comunicados entre sí y con el exterior. Desde un punto de vista geotécnico el aire se considera compresible, en contraposición con el agua que siempre se le considera incompresible. Aunque el aire no sea un gas perfecto, se le atribuye un comportamiento que sigue la Ley de los Gases Perfectos para el intervalo de presiones y temperaturas usuales en el suelo. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 21.

(22) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 1.2.1.4.. MIC-2004-1-45. Permeabilidad en los suelos no saturados. Se conoce como presión de poros cuando el suelo se somete a esfuerzos y esta depende de la presión capilar, del diámetro de los poros, de los canales capilares y de la humedad del suelo. Considerando que la masa de suelo está constituida por tres fases (sólida, líquida y gaseosa); cuando el suelo está bajo el nivel freático, la presión de poros en la fase líquida es positiva (Ver Figura 1), por lo tanto cualquier presencia de la fase gaseosa en el suelo solo puede existir como aire atrapado a presiones mayores que la presión atmosférica. El aire atrapado puede tender a salirse y el suelo tiende a estar saturado debido a que los espacios vacíos son llenados con agua.. Figura 1. Variación de la presión de poros con la profundidad. Por otra parte, cuando la presión de poros es negativa, que normalmente se presenta en las masas de suelo que se encuentran por encima del nivel freático (Ver Figura 1), la interfase aire-agua tiende a convertirse en cóncava creando grandes vacíos y burbujas y este fenómeno se presenta en los suelos parcialmente saturados. Se denomina succión a la presión negativa menor a la atmosférica, que mantiene dos fases aire y agua en equilibrio cuando el suelo no está sometido a esfuerzos externos y por la cual el agua es retenida en los poros en estado no saturado. Al aumentar la succión, la presión capilar aumenta, el diámetro de los poros y la humedad disminuyen (Ver Figura 2). Existen dos tipos de succión, la succión matricial y la succión osmótica. La primera se debe a los efectos capilares y la segunda a los fenómenos de ósmosis ligados a la presencia de sales disueltas en el agua. Considerando que las condiciones químicas y térmicas no varían, la succión osmótica permanece constante y solo hay que tener en cuenta la succión matricial.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 22.

(23) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. Figura 2. Variación de la succión con la profundidad. Después de Mitchell (1979). 1.2.1.4.1.. Conductividad hidráulica en los suelos no saturados. La importancia de conocer el fenómeno del flujo de agua en los suelos no saturados para proyectos geotécnicos y de protección ambiental, ha generado la necesidad de medir la conductividad hidráulica de los suelos en el laboratorio y estimarla in situ. Este parámetro es muy importante para el correcto entendimiento de los fenómenos presentes en los suelos expansivos. En el caso de los suelos no saturados, el flujo es debido a los gradientes hidráulicos presentes en la masa de suelo, haciendo que el agua se mueva de un punto de mayor cabeza hidráulica a otro de menor. El agua se mueve de áreas de más pequeña succión a áreas con gran succión. Las burbujas de gas presentes en los suelos parcialmente saturados evitan una fácil circulación del agua y como consecuencia una disminución de la conductividad hidráulica, K(y).. Figura 3. Relación de histéresis entre el contenido de agua volumétrica y la succión matricial. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 23.

(24) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. La permeabilidad que corresponde a los suelos saturados tiene un valor constante. Pero cuando la succión aumenta disminuye el grado de saturación (Ver Figura 3) y K(y) disminuye. Sin embargo, se presenta histéresis. Esto implica que la trayectoria inversa no es igual; es decir, para la misma succión, la permeabilidad en la trayectoria seca es diferente de la de la trayectoria húmeda (Ver Figura 4). Y además, la permeabilidad disminuye cuando el contenido de agua volumétrica también disminuye.. Figura 4. Relación de histéresis entre el coeficiente de permeabilidad y la succión matricial. 1.2.1.4.2.. Ley de Darcy en los suelos no saturados. El flujo de agua en un suelo saturado puede ser descrito usando la ley de Darcy (1856), en esta ley está demostrado que la velocidad del flujo de agua a través de una masa de suelo es proporcional al gradiente de la cabeza hidráulica.. Vw = − Kw. ∆hw ∆y. Ecuación 1.1. Donde:. Vw = Velocidad del flujo del agua ∆hw = Gradiente de cabeza hidráulica en la dirección Y = iwy ∆y Kw = Coeficiente de permeabilidad; para suelos saturados Kw se considera que tiene un valor constante. Varios autores han demostrado que la ley de Darcy también es aplicable para el flujo de agua a través de un suelo no saturado (Buckingham, 1907; Richard, 1931¸Childs y CollisGeorge, 1950), es decir, ha sido demostrado que la velocidad del flujo a través de un suelo parcialmente saturado es linealmente proporcional al gradiente de la cabeza hidráulica.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 24.

(25) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. Sin embargo, el valor de Kw no es constante, de esta manera es más conveniente usar el concepto de conductividad hidráulica K(y) en vez del coeficiente de permeabilidad. Durante los procesos de humedecimiento y secado el suelo exhibe histéresis. Esta aumenta principalmente en la relación entre la conductividad hidráulica K(y) y la succión matricial o en la relación entre el contenido de agua volumétrico y la succión matricial (Ver Figuras 3 y 4). 1.2.1.5.. Clasificación de los suelos no saturados. La estructura de un suelo no saturado depende del proceso por el cual éste ha llegado a ser no saturado (por ejemplo secado de un suelo natural o compactación de rellenos). La estructura tiene una influencia considerable en el comportamiento del suelo no saturado. Por esta razón, los suelos no saturados generados por diferentes procesos tienden a presentar diferentes formas de comportamientos mecánicos. En suelos formados por un proceso dado, la estructura puede variar considerablemente. Esta variación ocurre particularmente en rellenos de arcillas compactadas. La estructura de un relleno de arcilla compactada no saturada cambia drásticamente con el método de compactación, el grado de compactación y el contenido de agua. Wroth y Houlsby (1985) propusieron tres tipos diferentes de suelos no saturados tomando como base la continuidad del fluido de fases.. 1.2.1.5.1.. Fase de aire discontinua y la fase de agua continua. Este tipo de estructura se encuentra en los suelos no saturados que tienen un alto grado de saturación. En estos suelos el aire se encuentra en forma de burbujas discretas. Esta situación ocurre probablemente en una zona de transición estrecha en suelos naturales, sobre la zona saturada y bajo una zona con bajo grado de saturación.. 1.2.1.5.2.. Fases continuas de aire y agua. Este tipo de suelo no saturado se encuentra en suelos con un grado intermedio de saturación, este intervalo de grado de saturación se presenta principalmente en una zona de transición en un depósito de suelo natural o en rellenos compactados de granos finos (limos y arcillas).. 1.2.1.5.3.. Fase de aire continua y fase de agua discontinua. Este tipo de suelo no saturado se encuentra en suelos no saturados con bajos grados de saturación. Esto se presenta: a) en suelos naturales cercanos a la superficie y b) en algunos rellenos compactados por ejemplo escolleras y pedraplenes. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 25.

(26) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. La presión de aire de poros en los suelos no saturados es siempre mayor que la presión de agua de poros, debido a la curvatura de la interfase aire–agua. En suelos no saturados en bases de tierra que contienen una fase de aire continua (puntos 1.2.1.5.2 y 1.2.1.5.3) la presión de aire de poros será cero (igual a la presión atmosférica).. 1.2.1.6.. Estructura de los suelos no saturados. En esta parte del capítulo se describirán algunos aspectos de la estructura del suelo, principalmente aquellos que afectan más significativamente sus propiedades mecánicas hidráulicas. Su conocimiento permite una interpretación cualitativa del comportamiento del suelo. El término estructura se refiere a la distribución y orientación del conjunto de las partículas sólidas del suelo.. 1.2.1.6.1.. Estructura Floculada.. La distribución de las cargas negativas en la superficie de las partículas de suelo no es uniforme. En la zona próxima al borde se distribuye una carga positiva. Esta carga positiva atraerá a la carga negativa de otras partículas, a este fenómeno se le denomina floculación. La disposición de las partículas será como se indica en la Figura 5a. Esta estructura da lugar a una mayor resistencia, menor compresibilidad, y una mayor permeabilidad ya que el índice de huecos en mayor.. 1.2.1.6.2.. Estructura Dispersa.. La estructura de los suelos se puede modificar, provocando desplazamientos entre las partículas. Estos desplazamientos tienden a romper los enlaces entre las partículas y a disponerlas en una estructura paralela, obteniendo así la denominada estructura dispersa, en la cual las partículas tienden a repelerse mutuamente (Ver Figura 5b).. a). b) c) Figura 5. Estructuras floculada y dispersa de una arcilla y cargas de la misma. La estructura interna que presentan los suelos es un aspecto de gran importancia en el comportamiento mecánico de éstos. Así por ejemplo, bajo las mismas condiciones de carga, para un suelo con una estructura abierta se produce un colapso durante el humedecimiento, sin embargo, para el mismo suelo con una estructura más compacta se puede producir un hinchamiento al ser mojado.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 26.

(27) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. Inicialmente se trató de explicar el comportamiento de las arcillas considerando que tenían una estructura floculada o una estructura dispersa, aplicando la teoría de la doble capa difusa. Sin embargo estos conceptos se desarrollaron para dispersiones coloidales, y no pueden aplicarse más que en casos muy particulares, como por ejemplo, en arcillas marinas. La teoría de la doble capa difusa trata de explicar las fuerzas de los contactos en función del tipo de estructura floculada (de tipo abierta, con numerosos contactos cara-borde) o dispersa. Considerando esta teoría, las caras de las partículas de arcilla están cargadas negativamente, mientras que los bordes, positiva y negativamente, de este modo se generan los contactos cara-borde o borde-borde (Ver Figura 5c). En la actualidad se considera la estructura interna del suelo, de forma simplificada, teniendo en cuenta tres tipos de elementos (Alonso et al., 1987) que son: partículas elementales, agregados de partículas, y poros. A partir de estos elementos se pueden establecer tres estructuras fundamentales que simplifican el conjunto de todas las estructuras posibles. Cuando las partículas elementales están distribuidas de forma homogénea se considera una estructura de tipo matricial, con granos de arena rodeados de partículas arcillosas elementales creando una matriz. A veces las partículas elementales están agrupadas como si fueran un grano de tamaño mayor. En este caso se dice que hay una microestructura de agregados. Finalmente puede considerarse una estructura de granos de arena con conectores de arcilla entre los granos, o contactos directos, sin partículas de arcilla.. 1.2.1.6.3.. Estructura de los suelos y posibilidad de colapso o expansión. Generalmente los suelos compactados del lado húmedo del óptimo, y los suelos expansivos corresponden con una microestructura de tipo predominantemente matricial. Mientras que los suelos compactados del lado seco del óptimo, o que tienen tendencia a colapsar, suelen presentar microestructura de agregados, o con conectores de arcilla. Cuando cargamos un suelo con una microestructura de agregados, los contactos entre agregados o entre granos de arena y agregados se rompen de modo que los agregados pasan a ocupar el vacío de los poros, y el suelo colapsa irreversiblemente. Este comportamiento esta condicionado por la succión matricial1 que actúa de dos modos: la componente capilar, asociada al agua entre agregados, aumenta la rigidez de la estructura cuando la succión es elevada; mientras que la componente de adsorción, en las partículas de arcilla, mantiene una baja compresibilidad de dichas partículas. De un modo similar, si mojamos el mismo suelo, la disminución de la succión provoca una disminución de la resistencia de los contactos entre agregados, y la estructura colapsa 1. La succión matricial aumenta con la disminución de la humedad del suelo.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 27.

(28) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. irreversiblemente. Esto sucede a pesar de que los agregados puedan experimentar un aumento de volumen debido a la captación de agua en las partículas de arcilla.. 1.2.1.7.. Succión en los suelos no saturados. El término “succión del suelo” fue usado por Schofield (1935), para representar la “deficiencia de presión” en el agua de poros de algunos suelos (saturados o no saturados) que tenían la capacidad de absorber agua si se le adicionaba agua a la presión atmosférica. El término succión o potencial de agua designa a la integrante del estado de tensiones que tiene en cuenta aquellos efectos de superficie capaces de retener agua dentro de la estructural del un suelo. Sin su participación resulta imposible definir el estado tensional y entender la respuesta deformacional de un suelo parcialmente saturado. Para Blight (1965), el efecto de la succión en un suelo no saturado es equivalente al de una presión exterior aplicada. La diferencia entre la presión de aire de poros y la presión de agua de poros se define como la succión matricial (S = ua – uw). El valor de esta succión matricial depende de la tensión superficial y el radio de curvatura del menisco. Cuando el grado de saturación disminuye, el menisco se retrae en espacios de poros pequeños donde el radio de curvatura del menisco se reduce y, de esta manera, la succión matricial se incrementa. Debido a los poros pequeños, se desarrollan succiones matriciales más altas en los suelos arcillosos que en los suelos granulares. El flujo de agua a través de los suelos no saturados se controla por el gradiente del potencial de agua total. El potencial total de agua (ψ) puede expresarse como la suma de tres componentes:. ψ = ψ g +ψ m +ψ s. Ecuación 1.2. Donde: Potencial gravitacional (ψg), es causado por la elevación del agua del suelo con respecto a un nivel de referencia, ya que el agua fluye de un punto de mayor altura al de menor altura. Potencial Capilar o matricial (ψm), es el trabajo requerido por unidad de peso de agua para empujarla fuera de la masa de suelo y es causado por efectos de tensión de superficie. Potencial osmótico (ψs), existe gracias a sales disueltas en el suelo, cuyos iones se sienten atraídos por las partículas sólidas y por lo tanto es difícil sacar agua del suelo. El potencial osmótico es negativo, es decir, el agua tiende a fluir en la dirección del incremento de la concentración.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 28.

(29) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. Para un suelo no saturado con el aire de los poros a presión atmosférica, el potencial matricial está dado por la succión matricial, definida anteriormente, multiplicado por la unidad de peso del agua (con un apropiado cambio de signo). Por analogía, el potencial osmótico dividido por la unidad del peso del agua es llamado “succión osmótica” (nuevamente con un cambio de signo). La suma de la succión matricial y la succión osmótica se define como la succión total. Evidencias experimentales sugieren que la resistencia al corte y el comportamiento del cambio de volumen de suelos no saturados son dependientes de la succión matricial más que de la succión total (Alonso et al. 1987). De esta manera, el comportamiento de tensión– deformación depende de la succión matricial mientras que el flujo de agua depende del gradiente de la succión total (más efectos gravitacionales).. 1.2.1.8.. Comportamiento deformacional de los suelos no saturados. 1.2.1.8.1.. Fenómeno del colapso. En los suelos parcialmente saturados con una estructura abierta, al aumentar el grado de saturación debido a cambios ambientales o de otro tipo, pueden producirse reducciones volumétricas irrecuperables sin que varíen las solicitaciones externas del suelo; es decir, sin aumento de la carga aplicada; este fenómeno se conoce con el nombre de colapso. El colapso es uno de los fenómenos más característicos de los suelos parcialmente saturados y ha sido estudiado por numerosos autores, entre los que se pueden citar Dudley (1970), Jiménez Salas et al., (1973), Maswoswe (1985), entre otros, que exponen las características que debe tener un suelo para que en él ocurra un colapso:. •. Estructura abierta (Ver Figura 5a), no saturada, tipo panal de abeja, capaz de reducir significativamente su volumen a expensas de una disminución del volumen de poros.. •. Un estado exterior de carga suficientemente grande como para generar una condición metaestable para la succión aplicada.. •. La existencia de enlaces entre partículas, que se debiliten en presencia del agua.. Según Jiménez Salas y Justo (1975) algunos materiales arcillosos de baja y mediana plasticidad presentan un comportamiento combinado de hinchamiento y colapso cuando se los satura. El cambio neto de volumen que experimenta un suelo arcilloso cuando se pone en contacto con el agua es la suma de dos términos, por un lado el hinchamiento que se produce al relajar las tensiones netas entre partículas y por otro el colapso que ocurre al fallar las uniones entre grandes partículas.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 29.

(30) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. La deformación que se atribuye al hinchamiento puede ser elástica no así la que corresponde al colapso. Esta última implica un reordenamiento de la estructura y es irreversible. Un mismo suelo puede sufrir hinchamientos o colapso, o ningún cambio de volumen de acuerdo con la densidad seca, la humedad, y la presión aplicada en el momento en el que se lo inunda, como señalan Jennings y Kenight (1975), según estos autores, hay un cruce en las curvas obtenidas en los ensayos realizados en un doble odómetro, que separa la zona de hinchamientos probables, de la zona de colapsos probables. En la Figura 6 se observa que el proceso de saturación de una muestra produce expansiones si el estado tensional es bajo y colapso si el estado tensional es alto. A la presión que separa uno de otro comportamiento se denomina presión de hinchamiento nulo.. Figura 6. Comportamiento expansivo y colapsable de un suelo. 1.2.1.8.2.. Mecanismo del colapso. Un suelo que tiene tendencia a colapsar, en general es estable mientras el grado de saturación es inferior a un cierto límite, a partir del cual la llegada del agua puede debilitar suficientemente los enlaces existentes como para que se produzcan deslizamientos tangenciales en los contactos entre partículas. Los enlaces entre las partículas del suelo pueden ser de varios tipos:. •. Enlace capilar que se presenta fundamentalmente en el caso de limos y arenas. Los meniscos que se forman en la interfase (aire-agua-partículas sólidas), generan fuerzas normales que aumentan las tensiones entre dichas partículas, rigidizando el conjunto. En el caso de las arcillas este fenómeno no es tan claro a nivel de partículas aunque es probable que ocurra a nivel de agrupaciones más grandes de las mismas. En cualquier caso si el grado de saturación crece por aumento de la humedad o por reducción del índice de vacíos, estos enlaces desaparecen con lo que el conjunto se debilita pudiendo llegar al colapso si la presión exterior aplicada es suficientemente grande.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 30.

(31) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. •. Enlaces con puentes de partículas arcillosas que unen entre sí partículas mayores de limo, arena o arcilla. Las partículas de arcilla que forman los puentes pueden ser de origen diferente, pueden haber sido transportadas por el agua, o estar allí desde la formación del suelo, o ser auto-genéticas por acción del agua intersticial sobre los feldespatos existentes. Estos puentes de arcillas pueden desaparecer o cambiar su estructura con la llegada del agua.. •. Enlaces por cementación formados por el arrastre de sales, generalmente calcáreas, que precipitan en los huecos que dejan las partículas de arena. Si posteriormente estos suelos son sometidos a un lavado permanente, las sales pueden disolverse desapareciendo los enlaces y causando así una reordenación de la estructura.. En todos los enlaces descritos la llegada del agua causa el mismo efecto, reducción de la resistencia al corte en los contactos entre partículas sólidas. Si esta resistencia cae por debajo del esfuerzo impuesto por las cargas exteriores aplicadas se produce el colapso que conduce a una nueva estructura capaz de resistir el nuevo estado de tensiones. Una vez que ha ocurrido el colapso la nueva estructura del suelo es estable y es incapaz de sufrir nuevos colapso a menos que cambie el estado tensional existente y/o el grado de saturación. Los Ensayos de Booth (1975), Yudhbir (1982) y Maswoswe (1985) muestran que el colapso alcanza un máximo a partir del cual disminuye. El tipo de suelo y de estructura que se tiene en el suelo condiciona la magnitud del máximo de colapso y la presión para la que se produce.. 1.2.1.8.3.. Fenómeno de hinchamiento. Determinados suelos (expansivos) sufren fenómenos de hinchamiento de considerable magnitud al aumentar su humedad. Aunque en general este hinchamiento es cualquier disminución de la deformación volumétrica, como por ejemplo la producida al reducir la tensión esférica, en este caso se refiere expresamente a un aumento de volumen provocado en el proceso de humedecimiento manteniendo constante el estado tensional exterior. El proceso de hinchamiento se produce cuando un suelo no saturado se humedece adsorbiendo agua entre sus partículas y aumentando de volumen. Este aumento de volumen tiene una componente debida a la relajación de las tensiones inter-granulares al aumentar el grado de saturación. De hecho se pueden cambiar estos dos fenómenos, absorción de agua y relajación tensional, con un posible colapso, dependiendo de la estructura del suelo (densidad seca, presión exterior, etc.). En general, el hinchamiento está asociado a terrenos arcillosos plásticos con altas densidades secas y bajas presiones exteriores, contrariamente a lo habitual en procesos de colapso.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 31.

(32) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. 1.2.2. SUELOS ARCILLOSOS Se conoce como arcilla a un material natural, fino, granular, de aspecto terroso, constituido por un grupo de sustancias cristalinas, conocidas como minerales arcillosos. Según Núñez, 1987, las arcillas presentan un comportamiento plástico, cuando están húmedas y rígido cuando se secan.. 1.2.2.1.. Origen y Formación. La mayoría de los suelos arcillosos provienen de rocas, gracias a procesos tales como la meteorización física y química o combinación de ambas.. 1.2.2.1.1. Meteorización Física. Significa la desintegración de una roca en partículas menores sin alteración química. Entre los fenómenos físicos tenemos las corrientes de agua, la abrasión del viento, las heladas y los deshielos. Hay dos tipos principales de esta intemperización mecánica: La primera de ellos es la desintegración en bloque, la cual resulta de la formación de grietas, que rompen la masa de roca en un gran número de bloques o fragmentos individuales. La segunda, es llamada la desintegración granular, la cual resulta de una pérdida de cohesión entre las partículas individuales de los minerales, que hace que la roca se convierta en una masa granular incoherente. Las arcillas que se forman por la desintegración y descomposición de lechos de rocas in situ son llamadas residuales. Generalmente estas provienen de rocas ígneas y sedimentarias. Por otro lado están las arcillas que se forman por el transporte de sedimentos. Generalmente provienen de sedimentos aluviales de textura fina y de basaltos característicos de zonas mediterráneas. Estas arcillas transportadas y depositadas por lo general forman estratos tabulares o lentes. Finalmente, están las arcillas derivadas de suelos residuales y transportados. Se forman a partir de sedimentos eólicos finos, arenas costeras, rocas de arena calcárea y depósitos de textura media a fina.. 1.2.2.1.2. Meteorización Química. La meteorización o intemperización química, es la alteración de las rocas a causa de modificaciones mineralógicas o químicas, inducidas por agentes superficiales. Dentro de. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 32.

(33) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. los procesos químicos están aquellos asociados con la oxidación, disolución, hidrólisis e hidratación Como resultado de estos procesos, puede separarse la sílice de los silicatos minerales, llamándose a este fenómeno de separación de la sílice, deslización.. 1.2.2.2.. Minerales presentes y Estructura Química. Los minerales arcillosos están presentes en casi todos los suelos y constituyen la fracción más fina de suelos y rocas (Celis, 1987). Gracias a las investigaciones usando rayos X (difractometría), se ha demostrado que las partículas de arcilla son cristales de especies mineralógicas bien definidas y son básicamente láminas de silicatos hídricos de aluminio, hierro y magnesio (filosilicatos) arreglados principalmente en dos tipos de estructuras (tetraédricas u octaédricas). En la primera de los dos tipos de estructura (unidad tetraédrica), las esquinas están ocupadas por átomos de Oxígeno, con un átomo de Silicio en el centro. Los tetraedros forman capas ya que cada Oxígeno pertenece a dos tetraedros (Ver Fig. 7).. Figura 7 Estructura tetraédrica de los minerales arcillosos. En la segunda estructura (unidad octaédrica), las esquinas están ocupadas por grupos hidroxilo, con un átomo de Aluminio, Magnesio, etc., en el centro. Estos también pueden formar capas (Ver Fig. 8). Figura 8. Estructura octaédrica de los minerales arcillosos. La compartición de Oxígenos de tetraedros adyacentes (en el caso de las unidades tetraédricas), y de los Hidroxilos de octaedros adyacentes (en el caso de las unidades octaédricas) producen una capa continua. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 33.

(34) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 1.2.2.3.. MIC-2004-1-45. Clasificación de las arcillas. De acuerdo a las combinaciones químicas de estos constituyentes podemos dividir en tres grupos principales los minerales arcillosos: Caolinita, Ilita y Montmorillonita. Todos ellos tienen una estructura laminada, pero su actividad superficial es muy diferente. Las Caolinitas son las menos activas, las Ilitas son más activas que las Caolinitas y en contraste a los otros grupos, esta contiene Potasio. Los minerales más activos son las Montmorillonitas. Caolinitas Si4Al4O10(OH)8. Consiste básicamente de capas repetidas de una lamina tetraedral (sílice) y otra lamina octaedral (Alumina o Gibosita). Este grupo mineral por estar compuesto de un apilamiento de una capa de cada una de las dos laminas básicas es llamado un mineral arcilloso 1:1, la capa tiene cerca de 0.72 nm de espesor (Ver Figura 9) y se extiende indefinidamente en las otras dos direcciones. Es el más importante y más común de los silicatos bicapa encontrados en los suelos de fundación. Proceden de la alteración de feldespatos.. Figura 9. Estructura de la caolinita. Los vínculos tan estrechos entre los iones de Oxígeno de la unidad silícica y los iones de hidrófilo de la gibosita, además de las fuerzas de Van Der Waals (fuerzas de atracción), traen como consecuencia la estabilidad relativa de las Caolinitas en presencia de agua, motivo por el cual su expansividad es baja (Kassif, 1969). Ilitas (K2(Si4.Al2)Al4O20). Su estructura básica se forma colocando una capa de sílice por encima y otra por debajo de una capa de Alumina. Presenta una estructura 2:1 parecida a las montmorillonitas; pero las intercapas se mantienen unidas a través de átomos de Potasio (K). Se presenta en este grupo mineral la substitución de algunos átomos de Aluminio por átomos de Silicio, trayendo como consecuencia un aumento de la carga neta negativa (Lambe, 1979). Este grupo mineral presenta propiedades intermedias entre las Caolinitas y las Montmorillonitas. Las Ilitas presentan en su constitución interna una tendencia a formar grupos de materia, dando a una disminución del área expuesta al agua por unidad de volumen. Sin embargo, son menos estables que las Caolinitas y por consiguiente ofrecen características apreciables de expansividad.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 34.

(35) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. Figura 10. Estructura de la Ilita. Montmorillonitas Ca0.66H2O[(Si8)(AlMg)0.66O20(OH)4]. Su estructura básica está formada al igual que las Ilitas por una capa de Alumina entre dos capas de sílice, presentando una estructura 2:1. En este grupo mineral se llevan a cabo varias substituciones, a saber: silicio por aluminio en la capa silícica y magnesio, hierro, litio o zinc por aluminio en la capa octaédrica. El resultado obtenido, de estas substituciones atómicas, es un aumento en la carga neta negativa en el mineral.. Figura 11. Estructura de la Montmorillonita. Las fuerzas de Van Der Waals, son las que principalmente constituyen el enlace entre las muchas estructuras básicas que conforman las Montmorillonitas, siendo este relativamente débil, dependiendo del tipo de cationes intercambiables; razón por la cual el agua penetra fácilmente separando las estructuras básicas y generando de esta manera un incremento en el volumen de los cristales; incremento que macrofísicamente se conoce como expansión (Rico, 1980). Este grupo es el menos estable de los tres en presencia de agua y el que tiene mayores grados de expansividad.. 1.2.2.4.. Propiedades Físico-Químicas de las arcillas. Los suelos arcillosos generalmente presentan un contenido de humedad por debajo del límite plástico, aumentando el rango posible de cambio de humedad que produce mayores expansiones en el terreno. Los diferentes grupos de minerales arcillosos exhiben un amplio rango de propiedades ingenieriles. Dentro de cualquier grupo, el rango puede ser mayor y es una función de factores tales como: tamaño de partículas, grado de cristalinidad, tipo de cationes adsorbidos y tipo y cantidad de electrolitos libres en el agua de poros. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 35.

(36) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. Las importantes aplicaciones industriales de las arcillas radican en sus propiedades físicoquímicas. Dichas propiedades se derivan principalmente de:. •. El tamaño extremadamente pequeño de las partículas (inferior a 2 µm) y su morfología laminar (filosilicatos).. •. Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio inter-laminar.. Por otra parte, la existencia de carga en las láminas se compensa, como ya se ha citado, con la entrada en el espacio inter-laminar de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser intercambiados fácilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de multitud de aplicaciones industriales. A continuación se hará una descripción de las principales propiedades físicas y químicas de las arcillas:. 1.2.2.4.1.. Superficie Específica. La superficie específica o área superficial de una arcilla se define como el área de la superficie externa más el área de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g. La superficie de cada partícula tiene una carga eléctrica negativa, cuya intensidad depende de las características mineralógicas de la partícula. Las manifestaciones químicas y físicas de esta carga superficial constituyen la actividad superficial del mineral. Se dice que un mineral tiene alta o baja actividad superficial según la intensidad de la carga superficial. Las arcillas poseen una elevada superficie específica, muy importante para ciertos usos industriales en los que la interacción sólido-fluido depende directamente de esta propiedad. Tabla 1. Superficie especifica de los minerales arcillosos (Lambe y Whitman, 1979) MINERAL DE ESTRUCTURA SUPERFICIE ESPECÍFICA ARCILLA (m2/g) Caolinita 1:1 10 - 20 Ilita 2:1 80 – 100 Montmorillonita 2:1 800 Vermiculita 2:1 5 – 400 Clorita 2:1:1 5 - 50. 1.2.2.4.2.. Capacidad de Intercambio Catiónico. Es una propiedad fundamental de las esmectitas (incluyendo la Montmorillonita y Vermiculita), las cuales son capaces de cambiar, fácilmente, los iones fijados en la MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 36.

(37) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. superficie exterior de sus cristales, en los espacios inter-laminares, o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes. La capacidad de intercambio catiónico (CEC) se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado PH medida en meg/100g. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas pueden ser generadas de tres formas diferentes:. • • •. Sustituciones isomórficas dentro de la estructura. Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas. Disociación de los grupos hidroxilos accesibles.. El primer tipo es conocido como carga permanente y supone un 80 % de la carga neta de la partícula; además es independiente de las condiciones de PH y actividad iónica del medio. Los dos últimos tipos de origen varían en función del PH y de la actividad iónica. Corresponden a bordes cristalinos, químicamente activos y representan el 20 % de la carga total de la lámina. Tabla 2. Capacidad de Intercambio Catiónico de los minerales arcillosos (Lambe y Whitman, 1979) MINERAL DE ESTRUCTURA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO ARCILLA CATIÓNICO (meg/100g) Caolinita 1:1 3 Ilita 2:1 25 Montmorillonita 2:1 100 Vermiculita 2:1 150 Clorita 2:1:1 20. Los cationes intercambiables más comunes son: Na+, Ca++, Mg++, H+ y (NH4)+. La capacidad de intercambio catiónico crece con el grado de acidez del suelo arcilloso; en general, para valores de PH menores que 7.0 la actividad catiónica se hace notable. Desde el punto de vista práctico, la capacidad de intercambio catiónico de las arcillas, ofrece una alternativa para mejorar las propiedades ingenieriles de las mismas, por los procesos de estabilización química.. 1.2.2.4.3.. Capacidad de Absorción. Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio inter-laminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato). MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 37.

(38) UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. MIC-2004-1-45. La capacidad de adsorción se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorción de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con respecto al peso.. 1.2.2.4.4.. Conductividad Hidráulica (Permeabilidad). Además de la composición mineralógica, el tamaño de las partículas y la distribución de tamaño, la relación de vacíos, la estructura y las características del fluido de poros todas influyen en la conductividad hidráulica (permeabilidad). Hasta el rango normal del contenido de agua (límite plástico hasta el límite líquido), la conductividad hidráulica de todos los minerales arcillosos es menor que 1x10-5 cm/seg y pueden alcanzar valores menores que 1x10-10 cm/seg para algunas de las formas monovalentes iónicas de los minerales de esmectita. El rango usual observado para suelos arcillosos naturales es de 1x10-6 a 1x10-8 cm/seg. Para minerales arcillosos comparados al mismo contenido de agua, la conductividad hidráulica está en el orden: esmectita (Montmorillonita)< atalpugita < ilita < Caolinita.. 1.2.2.4.5.. Hidratación e hinchamiento. La hidratación y deshidratación del espacio inter-laminar son propiedades características de las esmectitas (Montmorillonitas), y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque la hidratación y la deshidratación ocurren con independencia del tipo de catión de cambio presente, el grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del catión inter-laminar y a la carga de la lámina. La absorción de agua en el espacio inter-laminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras. Cuando el catión inter-laminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales. Si por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida. Los suelos no saturados que contienen minerales arcillosos como la Caolinita, la Ilita y la Montmorillonita tienen tendencia a hincharse cuando se ponen en contacto con el agua. Esto se debe a que la unión entre cada dos unidades fundamentales es llevada a cabo por un enlace débil. Como consecuencia, el agua puede entrar a ellas ocasionando una expansión de la partícula en el sentido perpendicular a la capa.. MODELACIÓN EN CENTRÍFUGA DE LA MIGRACIÓN DE AGUA EN SUELOS PARCIALMENTE SATURADOS. 38.