Análisis del esfuerzo de cedencia de suelos arcillosos como posible indicador de un derrumbe

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE FÍSICA

Y MATEMÁTICAS

“Análisis del esfuerzo de cedencia de suelos

arcillosos como posible indicador de un derrumbe”

T

E

S

I

S

Q U E P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E

LICENCIADA

EN FÍSICA Y MATEMÁTICAS

PATRICIA SÁNCHEZ CRUZ

DIRECTOR DE TESIS

DR. ARTURO F. MÉNDEZ SÁNCHEZ

AGRADECIMIENTOS

Mi más sincero agradecimiento a mis padres Silvino Sánchez y Silvia Cruz

por todo el apoyo que siempre me brindaron, gracias a su cariño he logrado

realizar mis más anhelados sueños. Gracias por su amor y fortaleza en los

momentos difíciles. Gracias también por haberme enseñado a ser

perseverante y paciente, a ponerme pasos fijos para alcanzar mis metas. Y

una vez más, juntos lo hemos logrado.

A mis hermanos Héctor y Lidia por todo el cariño que siempre me han

brindado. Gracias por ser mis amigos cómplices y compañeros de aventuras.

Dr Arturo quiero agradecerle, la disposición que siempre a tenido conmigo

no solo en lo académico, sino también personal. Gracias por sus enseñanzas y

consejos. Y sobre todo gracias por haberme permitido trabajar con usted.

Dra. Leonor quiero agradecerle su apoyo en la realización de este trabajo y

su amistad brindada durante estos años.

Gracias Israel por haberme acompañado en esta etapa de mi vida, por no

dejarme caer en los momentos difíciles y por tu apoyo incondicional. Gracias

también por haber sido la razón de mis alegrías.

Gracias a mis amigos y amigas por todo su apoyo, por ayudarme a crecer,

por darme muchos días felices y llenos de risas, por darme sus hombros para

llorar y por dejarme entrar a sus vidas y compartir un poquito de cada uno de

ustedes.

Patricia Sánchez Cruz

Puedo aceptar el fracaso, todos fallamos alguna vez, lo que no puedo aceptar es no haberlo intentado

ÍNDICE

2.1 Mecanismos básicos de inestabilidad de laderas 6

2.2 Velocidad del movimiento de laderas inestables 7

2.3 Propiedades físicas de los suelos 8

2.4 Propiedades mecánicas de los suelos 10

2.5 Dinámica e inicio de los deslizamientos de tierra 11

Capítulo 3

Fundamentos teóricos

3.1 Componentes del tensor de esfuerzos 14

3.2 Esfuerzos principales 15

3.3 Máximo esfuerzo cortante 16

3.4 Prueba de asentamiento 17

Capítulo 4

Desarrollo experimental

4.1 Obtención de las arcillas 22

4.2 Construcción del dispositivo experimental 24

4.3 Preparación de muestras 25

4.4 Pruebas de asentamiento 25

4.6 Caracterización química de las arcillas 27

Capítulo 5

Resultados y discusión

5.1 Pruebas de asentamiento 28

5.2. Análisis químico y microestructural 31

5.3 Determinación de los compuestos químicos 33

5.4. Análisis de tixotropía 34 Capítulo 6 Conclusiones 37 Bibliografía 38 Presentaciones en congresos 40 Apéndice I

Descripción de las zonas de estudio

I.1 Valle de Chalco 41

I.2 Cuajimalpa 43

Apéndice II

Tablas extensas

II.1 Arcilla A (Xico) 45

II. 2 Arcilla B (Galicias) 47

Apéndice III

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

Es sabido que los fenómenos naturales como deslizamientos de tierras o flujos de lodos se caracterizan por ser peligrosos y destructivos, afectando principalmente a la población de escasos recursos que vive en laderas o zonas de alto riesgo. Por lo que es necesario crear una cultura de prevención para que la población conozca y se familiarice con este tipo de fenómenos, manteniéndose atenta a las manifestaciones que preceden los deslizamientos de tierras y a los factores que los generan.

Estos deslizamientos ocurren de forma esporádica los cuales por su magnitud y velocidad resultan algunas veces catastróficos, en donde la cantidad y la velocidad del material desplazado depende de factores como: la composición química, el tamaño de partícula y el tipo de arcilla, así como también de los factores físico-geográficos tales como: el clima, la pendiente del terreno, el tipo de suelo y la vegetación. A pesar de que las masas colapsadas no alcanzan grandes distancias durante su desplazamiento sobre el terreno, en la mayoría de las ocasiones el relieve y la presencia de agua favorece que el deslizamiento alcance velocidades relativamente altas cubriendo varios kilómetros de distancia, pasando así a la categoría de corrientes de lodo [Hubp (2002)].

En varios países se han tenido experiencias catastróficas debido a los flujos de lodos o deslizamientos de tierra a causa de las intensas lluvias, por ejemplo en la franja costera de Venezuela [Alcántara et al. (2001)], durante el mes de diciembre de 1999 se registraron precipitaciones extraordinarias. En tres días consecutivos se recolectaron 911 mm de agua de un total de 1207 mm acumulados en diecisiete días.

INTRODUCCIÓN

Particularmente la mañana del dieciséis de diciembre de ese año, la estación meteorológica del Aeropuerto de Maiquetía, registró 72 mm de agua en una hora a partir de las seis de la mañana [Andressen y Pulwarty (2000)]. Tiempo antes el huracán Lenny había afectado la costa oriental, entonces como consecuencia de ambos eventos se registró un exceso de agua infiltrada generando de esta manera una saturación en el suelo, lo que no solo provocó grandes inundaciones, si no que también el reblandecimiento de la tierra, generando avalanchas violentas que provocaron la muerte de aproximadamente treinta mil personas. En Filipinas, durante el mes de febrero de 2006, a causa de las fuertes precipitaciones ocurridas durante 10 días aproximadamente, se produjo un deslizamiento de tierra en Guinsaugon, una localidad de la isla filipina en Leyte, quedando alrededor de dos mil personas sepultadas bajo el barro de un total de cuatro mil que habitaban en la localidad [Amigot (2006)].

También en México, las lluvias han ocasionado diversos daños, por ejemplo, los deslizamientos ocurridos durante el mes de octubre de 1999 en los estados de Puebla, Veracruz e Hidalgo [Alcántara (2001)]. El deslizamiento más impactante se registró en la colonia Aurora del municipio de Teziutlán, ubicada en la Sierra Norte de Puebla, que ocasionó la muerte de 120 habitantes, al desgajarse un cerro a causa del reblandecimiento de la tierra provocado por las intensas lluvias. Asimismo, en agosto del 2006 en el paraje las Galicias en Cuajimalpa D.F, se registró un deslizamiento de tierra, provocando la muerte de cuatro personas [Robles et al. (2006)]. Posteriormente, en el mes de septiembre se registraron por lo menos tres derrumbes en la carretera México-Toluca, lo que provocó lesiones a 8 personas, cuando quedaron atrapadas bajo el lodo a causa de los deslaves. Inclusive este evento provocó que la autopista permaneciera cerrada más de una semana.

El 4 de julio del 2007 se registró el desgajamiento de un cerro en el municipio de Eloxochitlán en el estado de Puebla. Una vez más, el principal factor fue la intensa lluvia registrada en la zona, lo que provocó el reblandecimiento de la tierra, sepultando a un autobús de pasajeros en donde viajaban alrededor de 32 personas. La frecuencia con la que ocurren este tipo de eventos es tal que vale la pena resaltar el peligro que representan para la población expuesta a este tipo de fenómenos. Luego entonces, los deslizamientos de

tierra y flujos de lodos ocasionados por las lluvias provocan numerosas pérdidas materiales y humanas, por lo que es de suma importancia poder predecir a tiempo la proximidad u ocurrencia de éstos en zonas de alto riesgo, lo que a la fecha no es posible. Consecuentemente, entender y estudiar el origen de los deslizamientos puede ayudar a prevenir desastres en zonas de alto riesgo. Existen numerosos estudios en los cuales se analizan los deslizamientos de tierra [Alcántara (2001)] éstos están determinados por diferentes mecanismos tales como derrumbes, flujos, deslizamientos y expansiones, tanto en su origen como en su desarrollo. Además, la mayoría de los estudios se enfocan principalmente en la dinámica de los deslizamientos, y pocos son los trabajos que se orientan a entender los factores que los generan.

Una arcilla está constituida por agregados de silicatos de aluminio hidratado, procedente de la descomposición de minerales de aluminio, cuya fórmula es: Al2O3 2SiO2 H2O. La

coloración de una arcilla depende de las impurezas que contiene, siendo blanca cuando es pura. A nuestro conocimiento ningún trabajo analiza las variaciones de los parámetros físicos que experimentan las arcillas de las laderas en momentos previos a la ocurrencia de un deslizamiento. Por lo que el principal objetivo de este trabajo es analizar uno de éstos parámetros, a saber, el esfuerzo de cedencia.

Particularmente, el esfuerzo de cedencia es una cantidad física que se ve disminuida por el agua de las lluvias infiltrada en los suelos de una ladera con riesgo a deslizarse. Este esfuerzo de cedencia corresponde al esfuerzo mínimo necesario para que un material empiece a fluir o en nuestro caso, a deformarse plásticamente lo que desencadena un deslizamiento de tierra. Por consiguiente, el esfuerzo de cedencia es un factor importante que influye de manera directa en un deslizamiento de tierra, ya que éste esfuerzo disminuye a causa de las lluvias intensas o continuas, debido a la gran cantidad de agua que se infiltra en el suelo llenando los poros o espacios que en él existen provocando que el suelo se sature. Además, el agua infiltrada aumenta el peso de la ladera lo que también influye sobrepasando el esfuerzo de cedencia de la misma, lo que trae como consecuencia el inicio de un deslizamiento. Por lo tanto, determinar como disminuye éste esfuerzo de cedencia en función de las precipitaciones pluviales en zonas de alto riesgo, permitirá establecer bajo

INTRODUCCIÓN

que condiciones una ladera se vuelve inestable y las condiciones criticas para que tenga lugar un deslizamiento. Lo que en un futuro podría brindar a la población un modo de alerta y conocimiento del fenómeno.

El esfuerzo de cedencia puede determinarse a partir de una sencilla prueba de asentamiento que la misma población expuesta a este tipo de peligros puede realizar y valorar el grado de riesgo en el que se encuentra tomando las medidas necesarias u oportunas, y en caso de ser necesario evacuar voluntariamente la zona de riesgo logrando así salvar sus propias vidas.

En este trabajo se presentan resultados de la variación del esfuerzo de cedencia en función del contenido de agua, a partir de pruebas de asentamiento. Las muestras utilizadas son dos arcillas localizadas en zonas de alto riesgo del Valle de México. Además, se analizan las propiedades físicas y químicas de las muestras y su interrelación con el esfuerzo de cedencia. Finalmente, se realiza una comparación para este tipo de suelos en función de las precipitaciones ocurridas, proponiendo al esfuerzo de cedencia como indicador crítico de un deslave.

CAPÍTULO 2

ANTECEDENTES

El término deslizamiento, dentro del contexto de laderas, se refiere al movimiento de una masa de roca, tierra o restos, pendiente abajo. Un deslizamiento ocurre cuando se rompe o se pierde el equilibrio de una porción de los materiales que componen una ladera y se deslizan ladera abajo por acción de la gravedad. Los deslizamientos usualmente se presentan en taludes inclinados, no obstante, también se presentan en laderas de poca pendiente pero en este caso, son ocasionados principalmente por fuerzas gravitacionales y resultan de una falla por corte a lo largo del contorno de la masa en movimiento respecto a la masa estable. La falla se alcanza cuando el esfuerzo cortante aplicado en la superficie potencial de deslizamiento, llega a ser mayor o igual a la resistencia del esfuerzo cortante del suelo o roca.

Los procesos que determinan la inestabilidad de una ladera están determinados por dos tipos de factores; externos e internos [Alcántara (2001)]. Entre los factores externos cabe destacar los procesos que se relacionan con las modificaciones de la geometría de una ladera, las cargas y descargas, sismos o vibraciones por explosiones y maquinaria pesada [Silva (2007)], la variabilidad de la intensidad y duración de las precipitaciones pluviales. Los factores externos ocasionan un incremento en los esfuerzos o acciones que se dan en una ladera, es decir, producen una mayor concentración de las fuerzas actuantes en ésta. Los factores internos están relacionados con las características de los materiales térreos en cuanto a composición, textura, características físico-químicas y las modificaciones que éstos van sufriendo con el paso del tiempo. Los factores internos reducen la resistencia de los materiales, es decir, disminuyen la concentración de fuerzas resistentes.

ANTECEDENTES

2.1 MECANISMOS BÁSICOS DE INESTABILIDAD DE

LADERAS

La inestabilidad de laderas está determinada tanto en su origen como en su desarrollo por diferentes mecanismos y son éstos los que determinan los tipos de movimientos de ladera existentes. Razón por la cual se agrupan en cuatro categorías principales como son: derrumbes, flujos, deslizamientos y expansiones o desplazamientos. Cuando el mecanismo inicial de un movimiento se transforma en otro u otros se dice que se trata de un movimiento complejo. A continuación se presenta una descripción breve para cada uno de ellos [Alcántara (2001)].

DERRUMBES: se trata de movimientos repentinos de suelos y fragmentos aislados de

rocas, que se originan en pendientes abruptas y acantilados, por lo que el movimiento es prácticamente en caída libre, rodando y rebotando. Estos ocurren con mayor frecuencia en las carreteras.

FLUJOS: movimiento de suelos y/o fragmentos de rocas ladera abajo, en donde sus

partículas, granos o fragmentos poseen movimientos relativos dentro de la masa que se mueve o desliza sobre una superficie de falla. Los flujos pueden ser de muy lentos a muy rápidos, así como secos o húmedos. Entre los más importantes destacan los flujos de lodo y flujos de suelos y rocas.

• FLUJOS DE LODO: se compone de masa de suelo y agua que fluye pendiente abajo muy rápidamente y que contiene por lo menos 50% de granos de arena, limo, y partículas arcillosas.

• FLUJOS DE SUELOS Y ROCAS: se trata de un movimiento rápido de una mezcla en donde se combinan partículas sueltas, fragmentos de roca y vegetación con aire y agua, formando una masa ya sea viscosa o diluida que se mueve pendiente abajo.

DESLIZAMIENTOS: son movimientos de una masa de materiales térreos pendiente abajo,

delimitada por una o varias superficies, planas o cóncavas, sobre las que se desliza el material inestable. Por la forma de la superficie de deslizamiento, se distinguen en rotacionales y traslacionales.

• DESLIZAMIENTOS ROTACIONALES: deslizamientos en los que su superficie principal de falla es cóncava, es decir, hacia arriba en forma de cuchara o concha, definiendo un movimiento rotacional de la masa inestable de suelos y/o fragmentos de rocas. Generalmente los deslizamientos rotacionales ocurren en suelos arcillosos blandos, aunque también se presentan en formaciones de rocas blandas.

• DESLIZAMIENTOS TRASLACIONALES: deslizamientos en los que la masa de suelos y/o fragmentos de rocas se desplazan hacia fuera y hacia abajo, a lo largo de una superficie principal mas o menos plana, con muy poco o nada de movimiento de rotación.

EXPANSIONES O DESPLAZAMIENTOS LATERALES: movimientos de masas térreas

que ocurren en pendientes muy suaves, que dan como resultado desplazamientos casi horizontales. Con frecuencia son causados por licuación, fenómeno en el que los materiales de suelos y saturados, predominantemente arenosos y limosos, adquieren el comportamiento de un fluido como consecuencia de las vibraciones causadas por un sismo.

MOVIMIENTOS COMPLEJOS: los movimientos complejos son el resultado de una

transformación del movimiento inicial en otro tipo de movimiento al ir desplazándose ladera abajo. Por ejemplo las avalanchas de roca y los flujos deslizantes son de los más comunes y pueden ocasionar cuantiosas pérdidas.

2.2 VELOCIDAD DEL MOVIMIENTO DE LADERAS.

La velocidad con que se mueven las laderas depende del tipo de movimiento, la inclinación del terreno y de la cantidad de agua. Los derrumbes y flujos pueden alcanzar grandes velocidades. Sin embargo, los flujos son más importantes ya que generalmente involucran una gran cantidad de material el cual cubre áreas extensas. Los flujos están formados por

ANTECEDENTES

grandes volúmenes de agua, así como también de distintos materiales térreos, mientras más agua tiene, mayor es su velocidad. De la misma manera mientras más inclinada es una ladera, mayor será la movilidad de los materiales inestables.

A partir de la velocidad de los movimientos se puede determinar el impacto que ocasiona en las zonas habitadas, esto es, entre mayor sea la velocidad del movimiento mayor será su potencial destructivo. La tabla 2.1 muestra una clasificación del impacto de las laderas de acuerdo a la velocidad del movimiento.

VELOCIDAD DESCRIPCIÓN DE LA

VELOCIDAD NATURALEZA DEL IMPACTO

3m/s – 5m/s Extremadamente rápido Catástrofe de gran violencia 0.3m/min - 3m/min Muy rápido Pérdida de algunas vidas, gran destrucción 1.5m/día - 13m/día Rápido Posible escape y evacuación, estructuras, posesiones y

equipos destruidos

1 m/mes – 5 m/mes Moderado Estructuras poco sensibles pueden sobrevivir 1.5m/año –

1.6m/año Lento

Carreteras y estructuras poco sensibles pueden sobrevivir a través de trabajo de mantenimiento

constante 0.06m/año -

0.016m/año Muy lento

Algunas estructuras permanentes no son dañadas y sufren agrietamientos por el movimiento, pueden ser

reparadas

0.016m/año < Extremadamente lento No hay daño a las estructuras construidas con criterios de ingeniería formales

Tabla 2.1. Escala de velocidades de los movimientos de laderas. Tomada de Alcántara (2001).

2.3 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS SUELOS

Entre las propiedades físicas de los suelos se encuentran: distribución del tamaño de las partículas, consistencia, textura, estructura, porosidad, humedad, densidad, capacidad de intercambio iónico, entre muchas otras. La textura de un suelo es la proporción de los tamaños de los grupos de partículas que lo constituyen y está relacionada con el tamaño de las partículas de los minerales que lo forman. Esta propiedad es considerada una propiedad básica ya que los tamaños de las partículas minerales y la proporción respectiva de los

tamaños varían considerablemente entre los suelos. Todos los suelos constan de una mezcla de partículas o agrupaciones de partículas de tamaños similares, por lo que para su clasificación se considera los diámetros límites (en milímetros) de ésta. En la siguiente tabla se muestra el tamaño límite para algunas partículas del suelo.

NOMBRE DE LA PARTÍCULA TAMAÑO LÍMITE(mm) Arena 0.05 a 2.0 Muy gruesa 1.0 a 2.0 Gruesa 0.5 a 1.0 Mediana 0.25 a 0.5 Fina 0.10 a 0.25 Muy fina 0.05 a 0.10 Limo 0.002 a 0.05 Arcilla Menor de 0.002 Tabla 2.2. Clasificación de las partículas del suelo.

CLASES DE TEXTURAS

Los suelos pueden clasificarse en tres texturas principales, que son: las arenas, las margas y las arcillas, y se utiliza una combinación de estos nombres para indicar los grados intermedios. Por ejemplo, los suelos arenosos contienen un 70 % o más de partículas de arena, los areno-margosos contiene de 15 a 30 % de limo y arcilla. Los suelos arcillosos contienen más del 40 % de partículas de arcilla y pueden contener hasta 45 % de arena y hasta 40 % de limo, y se clasifican como arcillo-arenosos o arcillo-limosos. Los suelos que contienen suficiente material coloidal para clasificarse como arcillosos, son por lo general compactos cuando están secos, pero cuando están húmedos son pegajosos y plásticos. Las texturas margas constan de diversos grupos de partículas de arena, limo y arcilla, varían desde margo-arenoso hasta los margo-arcillosos.

ANTECEDENTES

2.4 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS SUELOS

Las propiedades mecánicas de los suelos se fundamentan en la composición química de los mismos y de las propiedades físicas de las partículas que los constituyen. Las principales propiedades mecánicas son el esfuerzo y la deformación, a partir de las cuales se determinan: la resistencia a la compresión o tracción, flexión transversal, resistencia de impacto, resistencia a la torsión, resistencia al corte o cizallamiento, la resistencia al flujo, entre otras [Singer (1979)]. La dinámica y el inicio de un deslizamiento de tierra o ladera están estrechamente relacionados con la variación de la composición química, estructura (tipo de arcillas), las propiedades de cohesión y adhesión entre partículas constituyentes de los suelos [Hubp (2002)].

Sultanov y Khusanov (2001) establecieron modelos de la deformación desde un punto de vista del medio continuo para describir los cambios en las características físico-mecánicas de los suelos propensos a asentamientos. Estos autores, mostraron que el grado de mojado ejerce una marcada influencia sobre el estado de esfuerzo-deformación, lo que conduce a cambios en las propiedades mecánicas y físicas de los mismos. La figura 2.1 muestra que mientras aumenta la concentración de agua el esfuerzo de cedencia disminuye.

Figura 2.1. Dependencia de los esfuerzos en función del contenido de agua 14, 20, y 27% respectivamente. Grafica tomada de Sultanov y Khusanov (2001)

Una propiedad que los suelos o arcillas presentan debido a la fuerte interacción entre las partículas es la cedencia. La cedencia a menudo genera un comportamiento plástico. Así

mismo los suelos presentan un esfuerzo de cedencia característico, el cual se define como el esfuerzo mínimo necesario para que un material empiece a fluir. Así, cuando una arcilla se somete a esfuerzos pequeños, se deforma elásticamente. Sin embargo, cuando el esfuerzo es mayor que el esfuerzo de cedencia, la arcilla se deforma plásticamente y si el contenido de agua es relativamente alto, la arcilla fluye como un fluido viscoso como en el caso de las suspensiones altamente concentradas [Mezger (2002)].

Para suspensiones arcillosas de bauxita (Al203.2H2O) mezcladas por periodos de tiempos prolongados se genera un decaimiento estructural y por lo tanto una disminución en el esfuerzo de cedencia, además, la rapidez del rompimiento estructural bajo flujo es alta comparado con la recuperación estructural, esto fue demostrado por Pashias et al (1996). Al decaimiento estructural que presentan las suspensiones altamente concentradas al ser agitadas o sometidas a flujo por periodos de tiempos prolongados, se le conoce como tixotropía. La tixotropía es la propiedad de algunas suspensiones a disminuir su viscosidad en función del tiempo para una velocidad de agitación o velocidad de corte constante. Para las suspensiones arcillosas, el efecto de tixotropía en algunos casos es irreversible debido a un rompimiento de la estructura interna. Además, una arcilla que presenta un efecto tixotrópico tarda un tiempo finito en alcanzar una viscosidad de equilibrio cuando hay un cambio instantáneo en la velocidad de agitación [Singer (1979)]. A los materiales que exhiben la propiedad opuesta, es decir, un incremento en su viscosidad en función del tiempo para una velocidad de agitación o velocidad de corte constante, se les conoce como reopécticos o anti-tixotrópicos.

2.5 DINÁMICA E INICIO DE LOS DESLIZAMIENTOS DE

TIERRA.

Los deslizamientos de tierra son fenómenos que no se pueden predecir en su totalidad, la mayoría de los estudios en torno a este fenómeno analizan la dinámica o la vulnerabilidad de una zona, basándose en dos puntos principales: análisis históricos y los estudios geomorfológicos. El primer punto consiste en la realización de un análisis histórico de daños causado a las poblaciones debido a estos fenómenos. De acuerdo a Alcántara (2001),

ANTECEDENTES

las manifestaciones precedentes a los deslizamientos de tierra suelen ser la frecuencia de derrumbes en una zona, la intensidad, duración y frecuencia de lluvia en un intervalo de tiempo. Chen Chien Y. et al. (2005) encontraron a partir de un análisis de observaciones históricas de precipitaciones y ocurrencia de deslizamientos, que existe un punto crítico para la ocurrencia de un deslizamiento, el cual se suscita una hora después de la intensidad máxima de precipitación, consideraron la frecuencia, la lluvia acumulada y las propiedades geológicas de la zona. Esto les permitió establecer un método de monitoreo en tiempo real para alertar la proximidad de un deslizamiento.

Por otro lado, los estudios geomorfológicos se refieren al tipo de suelo, estructuras y espesor de las rocas, así como la pendiente del terreno y relieve de la zona. Este tipo de estudios es importante ya que se ha encontrado que los deslizamientos de tierra se presentan fundamentalmente en rocas frágiles y deleznables como lutitas y limolitas (FeO(OH)·n H2O), cuyo intemperismo produce suelos finos arcillosos y/o limosos [Cuanalo (2001)]. A partir de los estudios geomorfológicos se identifican las zonas más susceptibles a derrumbes, deslizamientos de tierra o corrientes de lodo, así mismo es posible determinar la magnitud del deslizamiento de tierra. Los resultados de estos estudios se representan a través de mapas en los cuales se resaltan las zonas de mayor vulnerabilidad a deslizamientos. Tal es el caso del trabajo hecho por Flores y Alcántara (2002) quienes elaboraron un mapa geomorfológico, en el que se presenta de manera sintética las formas del relieve del municipio de Teziutlán. En este trabajo se analiza la incidencia de procesos gravitacionales y su relación con el tipo de morfología. Además, con esta información se puede evaluar la magnitud del riesgo y estimar el tiempo en el que el problema se torna definitivamente crítico.

Existen estudios para determinar las causas de un deslizamiento, pero en pocos se analizan los parámetros físicos que se modifican antes de que éste ocurra, de hecho en gran cantidad de investigaciones se analiza la dinámica de deslizamientos debido a que ésta es muy compleja [Iverson (1997), Delinger e Iverson (2001)]. Particularmente Iverson (1997), en su revisión menciona que la mayoría de los modelos para describir este tipo de fenómenos consideran condiciones de flujo uniforme y estacionario, lo cual lleva a conclusiones que

lejanamente se aproximan a las situaciones observadas en este tipo de eventos, por lo que para predecir estos fenómenos se requiere de mayor estudio y análisis de los diversos parámetros físicos involucrados.

Flores y Alcántara (2002) al igual que Chen Chien Y. (2005), proponen un monitoreo permanente de la medición de la cantidad de agua de lluvia para alertar de la proximidad de un deslizamiento y la asocian a las características de saturación del suelo. En algunos casos en la localidad donde puede originarse un deslizamiento de tierra, ésta se estudia en todas sus formas de manera permanente para tomar medidas de prevención [Hubp (2002)]. Sin embargo, con todo esto solo se ha logrado determinar la naturaleza del impacto de los deslizamientos una vez que estos han ocurrido.

Como puede verse, el análisis de un deslizamiento de tierra es un estudio realmente complejo, lo más que se ha logrado es determinar las zonas vulnerables a este tipo de fenómenos, su evolución y su dinámica una vez iniciado. No obstante, a nuestro conocimiento no existen trabajos que se enfoquen en analizar cuales son los parámetros físicos que se modifican instantes antes de que el material o masa de alto riesgo genere un deslizamiento y que por lo mismo pueden fungir como indicadores de la proximidad de un deslizamiento de tierra. Un parámetro estrechamente relacionado con un deslizamiento es el esfuerzo de cedencia. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es determinar la variación del esfuerzo de cedencia en función del contenido de agua ya que está íntimamente ligado con el inicio del flujo que experimenta una ladera.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

CAPÍTULO 3

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

3.1. COMPONENTES DEL TENSOR DE ESFUERZOS

Considérese tres superficies mutuamente perpendiculares orientadas por los vectores unitarios eˆ , de un sistema de coordenadas x_i i como se muestra en la figura 3.1.

Figura 3.1. Representación del estado de esfuerzos de un elemento de volumen

Entonces los vectores de esfuerzo

i e

t

teˆ1 =Teˆ1 =T11eˆ1 +T21eˆ2 +T31eˆ3 (3.1)

t

=

T

e

ˆ

=

T

e

ˆ

+

T

e

ˆ

+

T

e

ˆ

t

=

T

e

ˆ

=

T

e

ˆ

+

T

e

ˆ

+

T

e

Las componentes Tij de los correspondientes vectores de esfuerzos se denotan mediante dos

índices. El primer subíndice “i” indica la dirección del esfuerzo y el segundo subíndice “j” la dirección del vector normal a la superficie dada. A las componentes T11, T22, y T33 se les

define como las componentes normales o esfuerzos normales que desde el punto de vista físico caracterizan la tensión si son positivos o comprensión si son negativos. T21, T31,T12 ,T32 , T13 y T23 son las componentes tangenciales o esfuerzos de corte. Por lo tanto las

componentes del vector de esfuerzos ti están relacionadas con las componentes del tensor T

y el vector unitario normal a la superficie

nˆ

j ji

i

T

e

t

=

Por lo tanto, si la matriz T es conocida, el vector de esfuerzos ti sobre un plano está

determinado por la ecuación anterior. Es decir, el estado de esfuerzos en un punto es completamente caracterizado por el tensor de esfuerzos T, el cual de manera matricial está definido por:

[ ]

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

=

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

Además, generalmente el tensor de esfuerzos es simétrico [Lai et al. (1974)], es decir Tij=Tji, por lo que para caracterizar completamente el estado de esfuerzos en un punto

arbitrario se tiene que conocer solo seis componentes de las nueve que consta este tensor.

3.2. ESFUERZOS PRINCIPALES

Para un tensor de esfuerzos simétrico, existen por lo menos tres direcciones principales mutuamente perpendiculares (eigenvectores de T), los planos que tienen estas direcciones como su normal se conocen como planos principales en los cuales el vector de esfuerzos es normal al plano, es decir, que no son esfuerzos cortantes por lo tanto el esfuerzo normal es conocido como el esfuerzo principal. Así, el esfuerzo principal incluye al

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

máximo y al mínimo valor del esfuerzo normal, entre todos los planos que pasan a través de un punto dado. El esfuerzo principal está determinado a partir de la ecuación característica de T la cual puede ser escrita como:

0

−

_I

λ

+

_I

λ

−

_I

=

λ

Donde I1, I2, I3 son los escalares invariantes del tensor de esfuerzos y están definidos por;

33 22 11 1

T

T

T

I

=

+

+

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

I

=

+

+

[ ]

T

I

=

det

3.3. MÁXIMO ESFUERZO CORTANTE

El máximo esfuerzo cortante se define como un medio de la diferencia entre el máximo y el mínimo esfuerzo principal y actúa en el plano que biseca el ángulo entre las direcciones del esfuerzo máximo principal y del esfuerzo mínimo principal. Sean er1,er2y er las 3 direcciones principales de T y sea T1, T2, y T3 los esfuerzos principales, si

3 3 2 2 1 1ˆ ˆ ˆ ˆ ne n e ne

n= + + es el vector unitario normal al plano, entonces el máximo esfuerzo cortante [Lai et al. (1974)] está dado por:

( )

( )

Donde (T_n)_max y (T_n)_minson el mayor y el menor esfuerzo normal principal respectivamente.

3.4. PRUEBA DE ASENTAMIENTO

La prueba de asentamiento usualmente se emplea para determinar si un concreto para construcción está listo y en condiciones de emplearse [Askeland (1998)]. La relación que existe entre esta prueba de asentamiento y el esfuerzo de cedencia en geometría cilíndrica fue descrita recientemente por Pashias et. al. (1996). Estos autores mostraron que la prueba de asentamiento genera excelentes resultados al determinar el esfuerzo de cedencia en suspensiones minerales de barro rojo, zirconia y titania. La prueba de asentamiento consiste inicialmente en llenar un cilindro de altura H con el material al cual se le quiere determinar el esfuerzo de cedencia. Posteriormente, se levanta el cilindro permitiendo que el material se colapse bajo su propio peso (figura 3.2).

Figura 3.2. Diagrama de la prueba de asentamiento. a) Muestra el llenado del cilindro, b) se retira el cilindro, c) se colapsa la muestra, d) se determina la altura de asentamiento.

Para el caso de una prueba de asentamiento donde el material fluye bajo la acción de la gravedad, un elemento diferencial de volumen está sometido a esfuerzos a causa de la presión Po, en la dirección

x

x

x

sometido a esfuerzos crecientes conforme se incrementa la altura z por el peso que la misma muestra ejerce (figura 3.3).

Figura 3.3. Representación del estado de esfuerzos de un elemento de volumen sometido a esfuerzos durante una prueba de asentamiento.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Por lo tanto el tensor de esfuerzos para un elemento diferencial de volumen queda determinado de la siguiente manera,

[ ]

Donde g=9.81m/s2 y ρ es la densidad de la muestra.

En esta prueba se supone que existe simetría axial por lo que puede analizarse en dos dimensiones sin pérdida de generalidad como se ilustra en la figura 3.4. Note que s es el asentamiento de la muestra.

Figura 3.4. Prueba de asentamiento. a) y c) muestran el material al inicio e inmediatamente después del asentamiento. b) y d) presentan el esfuerzo al que es sometido la muestra antes y después del asentamiento.

También se considera que existe un flujo radial en las capas inferiores de la muestra (figuras 3.4.a y 3.4.c). Si se analiza el estado de esfuerzos antes y despúes del asentamiento, se puede ver que en el estado inicial, el esfuerzo es una funcion lineal creciente en la dirección X3, lo que está de acuerdo con el tensor de esfuerzos (ecuacion 3.11). Además,

existe un esfuerzo de cedencia τy a una distancia ho y a distancias menores el esfuerzo τ es

menor que el esfuerzo de cedencia. Esto se ilustra en la figura 3.4 b. En el estado final despúes de que el asentamiento ocurre (figura 3.4.c), los esfuerzos menores al esfuerzo de cedencia no cambian por lo que la longitud ho se mantiene (figura 3.4.d). Sin embargo, en

la región donde el material fluye, se presenta una disminución substancial del esfuerzo τ por lo que el flujo se detiene hasta que el esfuerzo en esa zona corresponde al esfuerzo de

cedencia (figura 3.4 d). Similarmente, la altura inicial h experimenta una disminución hasta que llega al valor h1. Esto también se representa en el elemento diferencial dz el cual llega a

ser dz1 en el estado final.

Por lo tanto, el esfuerzo de corte máximo que actúa en el elemento diferencial de la muestra, se puede determinar a partir del tensor T (ecuación 3.11) y de la ecuación 3.10, por lo que se tiene,

gz z ρ τ 2 1 = (3.12)

Donde z´=z/H, normalizando por la cantidad ρgH, se llega a:

' 2 1 2 1 ' z H z gH z z= _ρ = = τ τ (3.13)

Note que cuando z=ho, se tiene el esfuerzo de cedencia

o y h z z _o τ ρgh τ 2 1 = = = (3.14)

Normalizando la ecuación 3.14 y considerando que

H h h z o o≡ = ' ' , se tiene que: o y y h gH 2 ' 1 ' = = ρ τ τ (3.15)

Adicionalmente, se considera que el material es incompresible y recordando que el asentamiento se debe solamente a un flujo radial. Entonces, las secciones transversales se mantienen horizontales durante la etapa de deformación. Así, los volúmenes serán equivalentes para un elemento dz del material sin deformar y un elemento dz después de ₁ que el material se ha deformado (figura 3.4), es decir,

FUNDAMENTOS TEÓRICOS dz r r dz 2 1 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = (3.16)

Donde r y r son los radios de los elementos dz y ₁ dz respectivamente. Además, como el ₁ flujo es radial, no existe intercambio de masa entre los planos horizontales, por lo que la cantidad de material encima de cualquier plano dado será la misma antes y después del asentamiento. Así, el peso del material sobre el plano del elemento dz y dz es el mismo ₁ antes y después de deformarse, lo que conduce a:

y z r r τ 2τ 1 2 = (3.17)

Entonces, la altura h₁ puede ser evaluada por integración del elemento dz1, el cual está

relacionado con el elemento dz mediante la ecuación 3.16 por lo que se llega a:

∫

Note que los límites de integración del elemento dz corresponden a los mostrados en la figura 3.4.a. Además, utilizando la ecuación 3.17 se tiene,

∫

Empleando las ecuaciones 3.14 y 3.15 y normalizando por H a la ecuación 3.19 se llega a,

) ' ln( ' 2 ' ' 2 1 ' ' 1 ' 1 y o h y h dz z h o τ τ − = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =

∫

Recordando que _y h'_o

2 1 ' =

τ y que en el estado final normalizando por H se sabe

que,1=s'+h'_o+h'₁ (esta expresión se obtiene de considerar que H =s+h_o+h₁ y normalizando por H, en este caso

H s

s'= ), se llega a una expresión que relaciona dos

cantidades normalizadas: la altura de asentamiento s’ y el esfuerzo de cedencia τ'_y. Esto es:

[

]

Entonces basta con determinar la altura de asentamiento normalizada, sustituirla en la ecuación 3.21 y resolver esta ecuación para τ'_y. Sin embargo, la solución de esta ecuación no es simple por lo que se tendrá que apoyar con alguna técnica de solución de métodos numéricos o empleando una aproximación del logaritmo. Éste último es el caso más simple,

ya que empleando la serie: (2 ' 1) ...

3 1 ) 1 ' 2 ( 2 1 ) 1 ' 2 ( ' 2 ln τ _y= τ _y− + τ _y− 2+ τ _y− 3+ es válida para

valores de τ'_y que pertenecen al intervalo ' 0 2

1

>

≥τ _y , y considerando una aproximación a

primer orden se obtiene la sigiente expresión para el esfuerzo de cedencia τ'_y:

' 2 1 2 1 '_y= − s τ (3.22)

Finalmente, el esfuerzo de cedencia se determina a partir de calcular el esfuerzo de cedencia adimensional ecuación 3.22 y multiplicándolo por la cantidad ρgH, de donde se

obtiene, ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = H s gH y 2 1 2 1 ρ τ (3.23)

DESARROLLO EXPERIMENTAL

CAPÍTULO 4

DESARROLLO EXPERIMENTAL

4.1 OBTENCIÓN DE LAS ARCILLAS

Se utilizaron dos muestras de suelos arcillosos obtenidas de dos lugares localizados en el Valle de México. En la figura 4.1 se muestra la ubicación geográfica de estas zonas, resaltada por los círculos insertados.

Figura 4.1. Ubicación de las zonas geográficas de estudio sobre el Valle de México. Cerro de Xico Municipio Valle de Chalco (círculo inferior). Galicias delegación Cuajimalpa (círculo superior).

La primer muestra denominada arcilla A, pertenece al cerro de Xico (figura 4.1 y 4.2), el cual se ubica en el municipio de Valle de Chalco Solidaridad Estado de México.El cerro de Xico es un cuerpo volcánico de suelos franco limoso, franco arcilloso y franco arenoso, en general de colores obscuros. La precipitación media anual es de 600 a 700 mm de agua.

Figura 4.2. Zona de estudio para la arcilla A; a) Lugar de riesgo, donde pertenece la arcilla, b) morfología del depósito de arcilla.

La segunda arcilla denominada arcilla B, pertenece al paraje denominado Las Galicias en la delegación Cuajimalpa D.F. Dada su extensa zona boscosa, recibe las precipitaciones pluviales más altas del Distrito Federal y cuenta con un sistema de barrancas, cañadas y corrientes superficiales de agua, por lo tanto, es una zona susceptible a deslizamientos de tierra, con una precipitación media anual de 1200 a 1500 mm de agua. Nuestro interés en esta zona de estudio se debe principalmente a que se tiene el antecedente de la ocurrencia de un deslizamiento tipo rotacional, puesto que la superficie principal de falla resultó cóncava (figura 4.3 a), definiendo un movimiento rotacional de la masa inestable de suelos y/o fragmentos de roca. El deslizamiento del tipo rotacional ocurre principalmente en suelos arcillosos blandos, como en este caso, ya que este suelo es del tipo arcilloso proveniente del cerro volcánico San Miguel, aunque también se pueden presentar en formaciones de rocas blandas.

Figura 4.3. Zona de estudio para la arcilla B; a) Lugar donde pertenece la arcilla, b) morfología del depósito.

a)

b)

DESARROLLO EXPERIMENTAL

4.2 CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL

Para realizar las pruebas de asentamientos se construyó el dispositivo que se muestra en la figura 4.4. Éste consta de una base de madera la cual puede ser nivelada a través de cuatro tornillos. Sobre la base se colocó una plataforma de vidrio, en la que se realizó la prueba de asentamiento. Pashias et. al. (1996) reportan que la resistencia a la fricción del flujo en la base es una variable sin importancia para la altura del asentamiento de la muestra. Adicionalmente, a esta base se fijó un vernier, sobre el cual se le adaptó una extensión en el nonio para que por medio de éste se pueda medir la altura de asentamiento.

Figura 4.4. Dispositivo experimental utilizado en las pruebas de cedencia. El dispositivo consta de los siguientes componentes; 1.-base de madera, 2.-plataforma de vidrio, 3.- vernier, 4.- extensión en el nonio y

5.- Cilindro utilizado

El cilindro que se utilizó es de PVC de altura H=0.047m y diámetro D=0.037m, con una razón H/D=1.28 que es una de las recomendadas por Pashias et. al. (1996). Asimismo, se pueden utilizar cilindros de acero inoxidable lo que es muy útil cuando se caracterizan alimentos o materiales biológicos ya que permite realizar la limpieza o esterilización del equipo después de cada ensayo [Rocha (1997)].

1

2 3

4

4.3 PREPARACIÓN DE MUESTRAS

Las muestras de suelos arcillosos colectadas, se tamizaron con una malla de hilos de metal de forma cuadrada del número 8 (cada cuadro con lado 3.1mm) para eliminar basura y rocas de mayor tamaño. Para la preparación de las muestras, es necesario conocer la fracción porcentual en masa del agua de la suspensión agua-arcilla, que se define con la siguiente ecuación.

100

%

X

W

W

W

C

=

+

Donde %CA es la fracción porcentual en masa de agua, WA es la masa del agua y WT es la

masa de la arcilla. A partir de esta ecuación se prepararon muestras de la arcilla A utilizando 0.3kg, agregando la cantidad de agua necesaria para posteriormente mezclarlas. Esto se hizo, para concentraciones porcentuales en peso de agua de: 23, 24, 25,26, 27, 28, 29 y 30%. Concentraciones similares fueron preparadas para la arcilla B, pero dada las características encontradas en esta arcilla, se decidió incluir concentraciones intermedias. Por lo tanto, se prepararon las siguientes concentraciones: 23, 24, 24.5, 25, 25.5, 26, 27, 28, 29 y 30%. Las muestras se colocaron en bolsas de polietileno y posteriormente se cerraron con una liga de hule para evitar problemas de evaporación.

4.4 PRUEBAS DE ASENTAMIENTO

Una vez preparadas las muestras se vertieron en el tubo de PVC hasta llenarlo y con una espátula se retiró el exceso de la parte superior del cilindro. Para extraer las burbujas de aire atrapadas dentro del tubo, se golpeó ligeramente a los lados del cilindro e inmediatamente después se retiró manualmente el cilindro, permitiendo que la mezcla fluyera bajo su propio peso (figura 4.5). Posteriormente, se midió la altura final para cada muestra después de haberse colapsado en un tiempo de 40 segundos. Cabe mencionar que este tiempo se eligió debido a que para 3 y 5 minutos se presentaron problemas de evaporación, provocando que

DESARROLLO EXPERIMENTAL

la muestra quedara semisólida en el mismo estado que había alcanzado a los 40 segundos. Y, para tiempos menores a 40 segundos la muestra continuaba asentándose. Con la diferencia de alturas se determina el asentamiento s de la muestra que al sustituir en la ecuación 3.27 se calcula el esfuerzo de cedencia.

Figura 4.5. Prueba de asentamiento.

Por otro lado, se determinó la densidad para cada concentración de las muestras estudiadas a partir de la medida de la masa y el volumen, usando una báscula electrónica marca Sartorius modelo CP 3202P y el volumen se determinó utilizando de una probeta graduada.

4.5 DETERMINACIÓN DE TIXOTROPÍA PARA LAS

ARCILLAS

Durante las pruebas de asentamiento, se le aplicó trabajo mecánico a través de una agitación excesiva, para concentraciones de agua de 24% y 24.5% para la arcilla A y arcilla B respectivamente, lo que evidenció un cambio en la consistencia con el tiempo de agitación, provocando una variación del esfuerzo de cedencia. Por lo tanto, se realizaron experimentos de asentamiento en función del tiempo. Esta serie de experimentos consistió inicialmente en medir el asentamiento de la muestra sin trabajo mecánico. Posteriormente, se aplicó una cierta cantidad de trabajo mecánico (agitación manual por 5 minutos) y se midieron los asentamientos de la muestra para diferentes tiempos.

4.6 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DE LAS ARCILLAS

Para analizar la morfología superficial de las arcillas, se realizaron experimentos de microscopia electrónica de barrido (MEB) con un microscopio electrónico marca FEI, modelo Sirion con una fuente de electrones de emisión de campo (FEG). Las micrografías se obtuvieron mediante electrones secundarios a voltajes relativamente bajos. Así mismo, se realizó un análisis de composición química superficial mediante la espectroscopia de dispersión de energías de rayos X (EDXS) con un equipo EDAX acoplado al SEM FEI Sirion.

Por otro lado, para determinar los compuestos químicos de cada muestra, se realizó un análisis por difracción de rayos X (XRD) en un difractómetro marca GBC modelo MMA utilizando una fuente de rayos X de cobalto (λ=1.789 Aλ=1.789Ao ) con un voltaje de 35 kV y 24.5 mA. Las corridas se realizaron con un paso de 0.002° por 0.6 segundos en un intervalo 2θ de 5° a 120°. Los resultados se muestran en la sección 5.3.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

CAPÍTULO 5

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5.1 PRUEBAS DE ASENTAMIENTO

La figura 5.1 muestra la gráfica del esfuerzo de cedencia en función del contenido de agua para la arcilla A (Xico). Para las concentraciones del 23, 24 y 25 % la altura de asentamiento resultó ser pequeña debido a la poca concentración de agua. De la ecuación 3.23 se tiene un esfuerzo de cedencia relativamente grande (197Pa a 153Pa) tal como se observa en la figura 5.1, este esfuerzo decrece monótonamente conforme el porcentaje de agua se incrementa. . No obstante en el intervalo 25 y 26 % de concentración de agua, se presenta una disminución abrupta del esfuerzo de cedencia (153Pa a 35.5Pa) de un 76% aproximadamente. De estos resultados se puede decir que dentro de este intervalo, se encuentra el esfuerzo de cedencia crítico a partir del cual podrá ocurrir un deslizamiento de tierra. 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 14 15 16 17 18 19 20 ES F U ER Z O DE CE DENC IA (PA ) CONCENTR ACIÓN (% ) Arcilla A

Es de mencionar que este intervalo representa el límite sólido-líquido de la muestra, entonces para las concentraciones menores a las de este intervalo, ésta se comporta como un sólido y para las concentraciones mayores la muestra se comporta como un líquido. Para las concentraciones entre 26%-30% se observa que el esfuerzo de cedencia ha disminuido dramáticamente hasta alcanzar valores de 27 Pa aproximadamente. Dentro de este intervalo la muestra cede fácilmente debido a que el esfuerzo en la columna de asentamiento es mucho mayor que el esfuerzo de cedencia. Es claro que a estas concentraciones la muestra fluye, lo cual es consecuencia del alto contenido de agua y de los efectos de la gravedad.

La figura 5.2 muestra la gráfica del esfuerzo de cedencia en función del contenido de agua para la arcilla B (Galicias). Note que el esfuerzo de cedencia presenta una disminución gradual y experimentalmente se observo que la altura de asentamiento no cambiaba drásticamente como lo hizo la muestra de Xico. Para las concentraciones comprendidas entre el 23.5% y 25% de agua, la altura de asentamiento resulta también pequeña debido a la poca concentración de agua. Aquí es más evidente un comportamiento monótono decreciente no lineal en donde se obtienen valores de esfuerzo de cedencia entre 204 Pa y 117 Pa aproximadamente. 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 15 16 17 18 19 20 21 PRECIPITACIÓN PLUVIAL (mm) E S F UE RZ O D E CE DE N C IA (P A ) CONCENTRACIÓN (%) Arcilla B

Figura 5.2.- Esfuerzo de cedencia vs concentración porcentual de agua para la arcilla B.

Es de mencionar que para las concentraciones de 23.5% y 24% se presenta una ligera meseta previa al intervalo crítico. En el intervalo crítico entre 24-25% de contenido de

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

agua, el esfuerzo de cedencia disminuye marcadamente (de 109.25 a 63.21Pa) un 42% aunque esta disminución es gradual y menos dramática que en el caso de la arcilla A. A partir de este intervalo de concentraciones la arcilla se encuentra en condiciones para que se presente un flujo. A concentraciones mayores al 25%, se tiene una muestra líquida y el esfuerzo de cedencia disminuye a tal punto que la muestra fluye, es por esto que a partir del 27% los valores del esfuerzo de cedencia son prácticamente constantes alcanzando valores de 45Pa aproximadamente. Adicionalmente, es de mencionar que el cambio tan drástico en el valor del esfuerzo de cedencia para la arcilla A, sugiere que el deslizamiento que se espera en la zona donde fue obtenida sea más abrupto que en la zona de la arcilla B. Por lo que bajo las condiciones adecuadas (concentraciones mayores al 25%), la arcilla A generará un colapso inmediato, sin brindar la oportunidad de tomar las medidas de seguridad necesarias. De ahí lo peligroso que resulta la zona compuesta de esta arcilla.

El eje horizontal superior de las figuras 5.1 y 5.2 representa la precipitación pluvial en mm de agua, la escala se hizo de tal manera que se tuviera una correlación con los valores de concentración de agua de nuestros experimentos. Por ejemplo, la precipitación pluvial correspondiente al intervalo crítico de concentración para la arcilla A es de 16 a 17.75 mm de agua, en el apéndice 3 se explica la forma en que se hizo esta correlación. Esto indica que cuando las precipitaciones sean de 16 mm la arcilla A se encuentra en condiciones idóneas para la ocurrencia de un deslave. No obstante, cabe señalar que afortunadamente del total de precipitación solo una parte es absorbida por la tierra y la restante es transportada por vertientes hacia ríos y/o coladeras. A la fecha no existen datos en la literatura de la absorción de agua por lluvias en la región que permitan mejorar esta estimación. En contraste, la figura 5.2 muestra que para que se genere un deslizamiento es necesario que la arcilla B absorba al menos 17mm de precipitación pluvial según el intervalo crítico encontrado (24%-25% que corresponde 17-18.5mm de precipitación). Por lo tanto esta arcilla admite aproximadamente 1mm más de precipitación pluvial que la arcilla A.

Como se mencionó, la arcilla B corresponde a una zona de alto riesgo en la que se registró un deslizamiento de tierra. De acuerdo con los resultados presentados en la gráfica 5.2, para que el deslizamiento ocurriera la arcilla debió absorber al menos 17mm de precipitación

pluvial, los cuales pudieron ser acumulativos por los tres días en que llovió de manera consecutiva en esta zona. Para obtener conclusiones contundentes se requiere información más detallada de la capacidad de absorción de las arcillas, cantidad de precipitación pluvial por hora y la determinación del esfuerzo de cedencia enseguida de que ha sucedido un deslave. Es de mencionar que la determinación del esfuerzo de cedencia en las regiones de alto riesgo a partir de la prueba de asentamiento, permitirá determinar bajo que condiciones o cantidad de agua es más probable que ocurra un desgajamiento. Además, como esta prueba es muy simple puede realizarse por los mismos habitantes de las zonas de riesgo, permitiendo que sean ellos mismo quienes evalúen el grado de riesgo de la zona y decidan por voluntad propia el desalojo de la misma, lo cual en su momento ayudará a salvar sus vidas.

5.2. ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL Y QUÍMICO

Las micrográfias de la figura 5.3 muestran la morfología superficial de la arcilla A obtenidas por MEB. En éstas se observa el tamaño de partícula, en donde el valor predominante varía entre las 30 y 40 micras. También, se observa que la morfología superficial de las partículas es de tipo granular esférica (figura 5.3 b), con una conformación laminar fibrosa.

Figura 5.3. Micrografías obtenidas por MEB a 250x y 1000x aumento para la arcilla A. a) Se muestran los diferentes tamaños de partícula, b) Muestra la conformación fibrosa.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En las figuras 5.4a y 5.4b se observa que para la arcilla B el tamaño de partícula es mayor y está dentro del intervalo 150-250 micras. Aunque, algunas partículas de esta arcilla alcanzan valores de hasta 500 micras. Al igual que la arcilla A, la morfología es esférica y de conformación fibrosa. Es de mencionar que durante la determinación de las pruebas de cedencia, la arcilla A manifestó tener mejores propiedades plásticas a diferencia de la arcilla B. Uno de los factores que intervienen en la plasticidad de una arcilla es el tamaño de partícula. En nuestro caso la arcilla A posee menor tamaño de partícula.

Figura 5.4. Micrografías obtenidas por MEB a 125x y 500x aumentos para la arcilla B. a) Se muestran el tamaño de partícula b) Muestra la conformación fibrosa para la muestra.

ANÁLISIS QUÍMICO

Los minerales de alta capacidad de cambio de catión poseen elevada plasticidad. El efecto de los cationes intercambiables sobre las propiedades de moldeo de las arcillas de igual contenido de agua, fue investigado por Sullivan, encontrando que el límite de elasticidad es creciente para los siguientes elementos químicos Li, Na, Ca, Ba, Mg, Al, K, Fe, H [Singer (1979)]. En la tabla 5.1 se presentan los elementos químicos para las arcillas A y B respectivamente. Note que la arcilla A tiene más calcio (Ca), Magnesio (Mg) y potasio (K) que la arcilla B. De ahí, que el límite elástico, es decir, el esfuerzo de cedencia, es mayor en la arcilla A en comparación con la arcilla B. Este resultado es evidente en las figuras 5.1 y 5.2.

Composición Química (Wt%)

Arcilla C O Na Mg Al Si K Ca Fe Total Wt

A 1.4 9.91 0.65 2.54 2.75 21.39 4.57 56.79 0 100 % B 22.23 37.74 1.7 0.38 8.27 21.81 0.92 2.09 4.88 100 %

Tabla 5.1. Tabla de composición química para las arcillas.

5.3 DETERMINACIÓN DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS

En la figura 5.5 se presenta el difractograma de rayos X para la arcilla A, en el cual se observa que los compuestos para esta arcilla son la cristobalita (SiO2) (3 tipos), tridimita

(SiO2) (2 tipos), montmorillonita (Al2O5·4SiO2·4H2O.), bentonita ((Al, Mg)8(Si4O10)

4(OH)8 . 12H2O) y nontronita (H4Fe2Si2O9). En este caso la montmorillonita y bentonita

son compuestos que proporcionan altas propiedades plásticas a esta arcilla, debido a que éstos son capaces de absorber grandes cantidades de agua entre sus capas adyacentes cambiando su distancia basal. En particular la montmorillonita cambia su distancia basal desde 10Å a 20Å.

Figura 5.5. Difractograma de rayos X para la arcilla A.

El difractógrama presentado en la figura 5.6 muestra que para la arcilla B, los componentes predominantes son cristobalita (SiO2), óxido y silicato de calcio (CaO) (CaSiO3), illita

((K,H3O)(Al, Mg, Fe)2(Si, Al)4O10[(OH)2,(H2O)]) y óxido de aluminio (Al2O3). La

presencia de illita en la arcilla B indica que esta arcilla tiene menores propiedades de plasticidad debido a que el agua no penetra en la red para permitir una expansión de la muestra, por lo que las capas adyacentes se mantiene unidas por la presencia de iones de potasio. De ahí que estos resultados expliquen lo observado experimentalmente.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

De estos resultados se puede mencionar que la presencia de la meseta en la arcilla A es debida a la presencia de la montmorillonita, por el cambio en la distancia basal a causa del agua infiltrada. Una vez que llega a su absorción máxima produce una disminución abrupta y dramática del esfuerzo de cedencia. En contraste, no es claro que compuesto de la arcilla B contribuye a la aparición de la meseta. Sin embargo, es evidente que en este caso se tiene una disminución gradual del esfuerzo de cedencia a diferencia de la arcilla A.

Figura 5.6. Difractógrama de rayos X para la arcilla B.

6

5.4. ANÁLISIS DE TIXOTROPÍA

En las figuras 5.7 y 5.8, se presentan los resultados de los experimentos de cedencia en función del tiempo para las arcillas A y B. El punto correspondiente a un tiempo t=0 se obtuvo sin trabajo mecánico, mientras que a tiempos mayores los puntos experimentales se obtuvieron después de aplicar trabajo mecánico. De estos experimentos es posible mostrar el efecto tixotrópico de la muestra debido a la dependencia temporal que ésta presenta. En el caso de la arcilla A, el comportamiento tixotrópico es evidente ya que existe una disminución notoria del esfuerzo de cedencia con el tiempo (ver gráfica insertada). Sin embargo, aunque existe una recuperación ligera de la muestra difícilmente podrá recuperar su estado inicial debido a que se rompió la estructura por el trabajo mecánico. En este caso el rompimiento de la estructura se sugiere es resultado de la presencia de montmorillonita ya que ésta produce un rompimiento catastrófico de la estructura [Goodwin (2000)].

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40 60 80 100 120 140 160 180 -50 0 50 100 150 200 250 300 40 60 80 100 120 140 160 180 x60 ES F U E R Z O D E CEDE NCI A ( P A) TIEMPO (s) XICO c%=24% x60 E S F UE RZ O DE CE D E N C IA ( P A ) TIEMPO (s)

Figura 5.7. Esfuerzo de cedencia en función del tiempo para analizar el efecto tixotrópico, arcilla A

Por otra parte, en la figura 5.8 se observa que el esfuerzo de cedencia se incrementa una vez que se realizó el trabajo mecánico, este tipo de comportamiento responde al llamado anti-tixotrópico o reopéctico. Una explicación a este comportamiento es que existe un reordenamiento en la muestra que podría ser el resultado de la formación de una red tridimensional multiconectada pero también cabe la posibilidad de que sea la formación de agregados de partículas a causa del trabajo mecánico [Singer (1979)]. Los tiempos en que sucede este cambio son relativamente cortos, menores a 10 minutos. Por otro lado, a tiempos mayores a 10 minutos el esfuerzo de cedencia decrece significativamente por lo que no es evidente que la muestra se recupere, lo que es característico de un comportamiento tixotrópico. Este tipo de comportamiento se atribuye al rompimiento de las estructuras o agregados durante la relajación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN 0 20 40 60 80 55 60 65 70 75 80 85 x60 E S F UE R Z O DE C E DE N C IA ( P A ) TIEMPO (s) GALICIAS c%=24.5%

Figura 5.8 .Esfuerzo de cedencia en función del tiempo para analizar el efecto anti- tixotrópico, arcilla B

De los resultados mostrados en esta sección se puede ver que la cohesión de las partículas de diferente tamaño, la presencia de cationes como es el Ca y la presencia de montmorillonita, incrementa marcadamente el efecto tixotrópico en la muestra. Esto aunado a efectos externos tales como las vibraciones causadas por sismicidad o por vibraciones generadas por el tránsito de carga de alto tonelaje, pueden causar un disminución repentina en el esfuerzo de cedencia y /o un rompimiento de estructura como consecuencia del efecto tixotrópico, lo que da lugar a un derrumbe o deslizamiento de tierra repentino. Esta observación está en buen acuerdo con los resultados obtenidos para la arcilla A ya que el esfuerzo de cedencia disminuye dramáticamente en la región critica como se ve en la figura 5.1, por lo tanto, de los presentes resultados se sugiere que la zona de Xico es de mayor riesgo que la zona de las Galicias y probablemente es más sensitiva a la presencia de vibraciones.

CAPÍTULO 6

CONCLUSIONES

A partir de la prueba de asentamiento se determinó el esfuerzo de cedencia de dos muestras de suelos arcillosos localizados en el Valle de México en función del contenido de agua. Se encontraron intervalos de concentración de agua críticos para cada arcilla, en los cuales el valor del esfuerzo de cedencia disminuye abruptamente y es a partir de este intervalo que se tienen condiciones idóneas para que ocurra un deslizamiento de tierra.

La cohesión de las partículas de diferente tamaño, la presencia de cationes como el Ca y la presencia de montmorillonita, incrementa marcadamente el efecto tixotrópico en las arcillas. Por lo tanto, se sugiere que la zona de Xico es de mayor riesgo en comparación con la zona de las Galicias y probablemente es más sensitiva a la presencia de vibraciones. Sin embargo, mayor investigación en esta dirección debe realizarse para obtener un panorama más amplio de los efectos responsables y determinar la influencia de los cationes.

El esfuerzo de cedencia es un parámetro físico crítico que está directamente involucrado en un deslizamiento de tierra y se propone como un indicador crítico de la proximidad de un derrumbe. A partir de este parámetro se amplía el conocimiento acerca de los fenómenos de deslizamientos de tierra, que además de conocer su dinámica se determina la vulnerabilidad de las zonas como función de las precipitaciones pluviales y la composición química de los suelos.

BIBLIOGRAFÍA

BIBLIOGRAFÍA.

• Alcántara I., Echaverría A., Gutiérrez C., Domínguez L., Noriega I. "Inestabilidad de Laderas", Fascículo inestabilidad de laderas Editado por CENAPRED (2001). • Amigot M.-Director. "Desaparece un pueblo entero en Filipinas por un

deslizamiento de tierra", IBLNEWS http://iblnews.com/story.php?id=10153, Nueva York - Año VIII - Nº 2996, febrero (2006).

• Andressen R., Pulwarty R. "Análisis de las lluvias excepcionales causantes de la tragedia del estado Vargas, Venezuela, en diciembre de 1999", IV Simposio internacional de desarrollo sustentable. Cambios Climáticos, Recursos Hídricos, Geo-Riesgos y Desastres Naturales pp 3- 152, (2000).

• Askeland D.R. “Ciencia e ingeniería de los materiales” Internacional Thomson Editores tercera edición (1998).

• Bustamante Rúa M. O., Aguilera G. G."Una aproximación del esfuerzo de cedencia en suspensiones minerales", Universidad de Colombia. DYNA, pp. 13-26, vol. 72 numero 146, (2005)

• Chen Chien., Chen Tien C., Yu Fan C., Yu Wen H., Tseng Chun C. "Rainfall duration and debris-flow initiated studies for real-time monitoring", Environ Geol No 47: 715–724 (2005).

• Cuanalo, O. "Proyecto de investigación de riesgo en taludes y laderas naturales de la Sierra Norte y Nororiental del estado de Puebla", Informe Técnico de la FI-BUAP a SEPROCI, (2001).

• Flores L.P., Alcántara A. I. “Cartografía morfogenética e identificación de procesos de laderas en Teziutlán Puebla”, Investigaciones Geográficas, Boletín del Instituto de Geografía, UNAM Núm. 49, pp. 7-26 (2002).

• Goodwin J.W., Hughes R.W. “Rheology for chemists an introduction” Royal Society of Chemistry, (2000).

• Hubp J. L. "La superficie de la tierra II.-Procesos catastróficos, mapas, el relieve mexicano" Serie La ciencia para todos. Un vistazo a un mundo cambiante. 90-93, (2002).

• Iverson R. M. "The physics of debris flows Reviews of Geophysics", by the American Geophysical Union. Paper number 97RG00426 (1997).

• Lai W. M., Rubin D., Krempl.E. " Introduction to Continuum Mechanics"3th

edition butterworth-heinemann (1999)

• Mezger T. G. "The Rheology Handbook", edit. Vincentz Verlag, Alemania (2002). • Pashias N., Boger D. V. ,J. Summers, D.J. Glenister"A fifty cent rheometer for yield

stress measurement" J. of Rheol. 40 (6), 1179-1189, (1996).

• Robles. J., Pantoja. S., Vidal. M. "Mueren cuatro personas por deslave causado por lluvias" http://www.eluniversal.com.mx/ciudad/78886.html. El Universal agosto (2006).

• Rocha J. S. "Reómetro para medir el esfuerzo de cedencia de materiales viscoplásticos mediante la teoría de Pashias et al" Tesis de maestría Instituto Tecnológico de Veracruz, (1997).

• Scott Blair G. W., “The rheology of soil pastes,” J. of Rheol, 127-138, (1930). • Silva M. G. “avalanchas generadas por lluvias, sismos y erupciones volcánicas”

http://www.geocities.com/gsilvam/hidrologia.html Bogotá Colombia, (2007).

• Singer F. y Singer S. S. "Cerámica industrial" traducido por J. Domínguez S. edit. URMO S.A. de C.V., Bilbao, España,(1979).

• Sultanov. K. S., Khusanov. B. E. "State equations for soils prone to slump-type settlement with allowance for degree of wetting" Soil mechanics and foundations engineering, vol 38, No 3, 80-86, (2001).