ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y FÍSICAS DE SUELOS ARCILLOSOS DEL VALLE DE MÉXICO.

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ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y FÍSICAS DE

SUELOS ARCILLOSOS DEL VALLE DE MÉXICO.

RESUMEN

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.

INTRODUCCIÓN

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.

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 generando avalanchas violentas que provocaron la muerte de aproximadamente treinta mil personas.

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. El deslizamiento más impactante se registró en la colonia Aurora del

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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. Es evidente que 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 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. 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.

MÉTODOS Y MATERIALES

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

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de asentamiento genera excelentes resultados al determinar el esfuerzo de cedencia en suspensiones minerales de barro rojo, zirconia y titania.

La primer muestra estudiada denominada arcilla A, pertenece al cerro de Xico, el cual se ubica en el municipio de Valle de Chalco Solidaridad Estado de México. La segunda arcilla denominada arcilla B, pertenece al paraje denominado “Las Galicias” en la delegación Cuajimalpa D.F. Nuestro interés en esta zona de estudio se debe principalmente a que se tiene el antecedente de la ocurrencia de un deslizamiento de tipo rotacional, puesto que la superficie principal de falla resultó cóncava.

Las concentraciones porcentuales en peso de agua estudiadas para la arcilla A fueron 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. Experimentos de asentamiento para determinar el esfuerzo de cedencia fueron llevados a cabo como los describe Pashias et al.

Además, 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 y luego aplicando cinco minutos de agitación, y se volvió a medir el asentamiento como función del tiempo, para determinar la variación del esfuerzo de cedencia en función del tiempo, lo que permite elucidar el comportamiento tixotrópico 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.

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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 A ) 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°. o A 789 . 1 = λ RESULTADOS

Para las concentraciones del 23, 24 y 25 % la altura de asentamiento resultó ser pequeña debido a la poca concentración de agua. El esfuerzo de cedencia obtenido fue relativamente grande (197Pa a 153Pa) tal como se observa en la figura 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.

2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 1 0 5 1 1 0 1 1 5 1 2 0 1 2 5 E S FU ER ZO D E C E D E NC IA (P A) C O N C E N T R A C IO N D E A G U A (% ) X IC O h ( m m ) 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 1 0 5 1 1 0 1 1 5 1 2 0 1 2 5 E S FU ER ZO D E C E D E NC IA (P A) C O N C E N T R A C IO N D E A G U A (% ) X IC O h ( m m )

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Par la arcilla B, note en la figura 2, 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. En el eje superior se hace una correlación con el contenido de agua que puede relacionarne con la gran cantidad de precipitaciones pluviales.

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 50 100 150 200 250 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 E S FU ER ZO D E CE D E N C IA ( P A ) CONCENTRACIÓN DE AGUA (% ) GALICIAS h (m m ) 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 50 100 150 200 250 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 E S FU ER ZO D E CE D E N C IA ( P A ) CONCENTRACIÓN DE AGUA (% ) GALICIAS h (m m )

Fig 2. Variación del esfuerzo de cedencia para la muestra B en función del contenido de agua.

De la morfología superficial de la arcilla A obtenidas por MEB, se observó el tamaño de partícula, en donde el valor predominante varía entre las 30 y 40 micras. También, se observó que la morfología superficial de las partículas es de tipo granular esférica, con una conformación laminar fibrosa. 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

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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. También se determinó la composición química de las arcillas como se ilustra en la tabla 1.

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 1. Tabla de composición química para las arcillas.

A partir de mediciones de rayos X para la arcilla A, se obtuvo 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.

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,

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

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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 crítica.

IMPACTO

El impacto social que tienen estos resultados se basa en que a partir de una prueba de asentamiento, se puede determinar el esfuerzo de cedencia, el cual 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. Por lo que a partir de este estudio se propone analizar las diversas zonas de riesgo de derrumbe para formar un mapa de humedad y cedencia, por lo que la misma gente alojada en esta zona puede realizar una cuantificación fácil como sería la prueba de asentamiento y la cuantificación de la humedad, para que por si mismos analicen el aumento del riesgo que se genera y de ser necesarios por voluntad propia evacuen la zona.

Los beneficios educativos y sociales, resaltan con la obtención de las tesis de licenciatura obtenidas y el compromiso qu e impacte positivamente a la comunidad.

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