X Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables Granada, septiembre 2022 M. Hürlimann y N. Pinyol CIMNE, Barcelona, 2022
EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE Y LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA RESIDUAL
Luis GARCIA (1), Núria M. PINYOL (1), y Antonio LLORET (1) (1) Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Universitat Politècnica de Catalunya
[email protected], [email protected], [email protected]
RESUMEN
La resistencia residual del suelo es un parámetro relevante para poder interpretar los deslizamientos y evaluar su potencial de reactivación y su evolución. Se han desarrollado numerosos estudios que han puesto de manifiesto que esta resistencia se ve influenciada por factores externos tales como el confinamiento, la presión de poros, la velocidad del deslizamiento y la temperatura.
En particular, el efecto que genera el cambio de velocidad en la resistencia residual podría proporcionar una explicación razonable a la variación de la velocidad de deslizamientos activos.
Varios autores han evidenciado, a nivel de ensayos de laboratorio un aumento de la resistencia a lo largo de la superficie de rotura que puede llegar a mantener un deslizamiento bajo velocidad constante.
El efecto de la temperatura ha sido poco estudiado, pero en los últimos años se ha observado que puede tener un efecto significativo en la estabilidad de deslizamientos y, en concreto, en la variación de la velocidad en deslizamientos someros activos.
El presente artículo analiza la dependencia de la resistencia residual con la velocidad de corte y la temperatura. La resistencia se evalúa mediante ensayos de corte anular. A pesar de la complejidad en la interpretación de los resultados, se ha evidenciado un incremento de la fricción residual con el aumento de la velocidad de corte y con la reducción de la temperatura.
1. INTRODUCCIÓN
La evolución de la resistencia friccional de los materiales involucrados en deslizamientos controla
su generación y movimientos. Los trabajos experimentales indican que la resistencia residual en
suelos depende de varios factores que afectan las fuerzas internas a nivel de grano. Así, la resistencia
varía según la mineralogía, la forma y tamaño de las partículas y las propiedades índice (Lupini et al.,
1981; Mesri and Cepeda-Diaz, 1986; Di Maio and Fenellif, 1994; Stark and Eid, 1994, 1997; Tiwari
and Marui, 2005; Stark and Hussain, 2013) así como también de las propiedades químicas y
reológicas del fluido que ocupa total o parcialmente los poros (Kenney, 1967; Moore, 1991; Di Maio
and Fenellif, 1994; Tiwari et al., 2005; Scaringi and Di Maio, 2016). Dado un suelo definido por sus
propiedades intrínsecas, la resistencia al corte depende de factores externos como la tensión aplicada
(Bishop et al. 1967, 1971; Chandler, 1977; Stark and Eid, 1997, Toyota et al., 2009), desplazamiento
acumulado (Lemos et al., 1985; Stark and Eid, 1994; Toyota et al., 2009;), velocidad de deformación
de corte (Tika et al. 1996,1999, Scaringi and Di Maio, 2016, Scaringi et al., 2018, entre muchos otros)
y la temperatura (Shibasaki et al. 2017). El comportamiento observado es, a menudo, complejo y alejado de una simple relación lineal con la tensión normal efectiva, como se acostumbra a emplear al aplicar la ley de resistencia Mohr-Coulomb.
El efecto de los desplazamientos acumulados sobre la resistencia tiene un claro y bien conocido efecto en el caso de primeras roturas. Se observa una pérdida de resistencia que lleva a fenómenos de rotura progresiva (Terzaghi and Peck, 1948; Taylor, 1948; Skempton, 1964; Bjerrum and Bishop, 1967;
Palmer and Rice, 1973; Stark and Eid, 1994; and Puzrin and Gemonovich, 2005). Existen varias contribuciones en las que se identifica la rotura progresiva en casos reales y se analiza numéricamente (Potts et al., 1990, 1997; Gens and Alonso, 2006; Troncone, 2005, Troncone et al., 2014). La dependencia de la velocidad de deformación de corte se considera en el caso del estudio de la evolución del movimiento en deslizamientos activos (Leroueil, 2001; Wang et al., 2010; Lucas et al., 2014; Alonso et al., 2016). Los incrementos de la resistencia con la velocidad de movimiento pueden evitar la aceleración del deslizamiento de la masa inestable. Pinyol et al. (2017) examinaron este efecto par el caso de tres deslizamientos planos en la pasada edición de este simposio.
El efecto intrínseco sobre la resistencia de la temperatura ha sido menos estudiado, aunque en los últimos años se observa un incremento en el interés de este aspecto y se ha reconocido un cierto efecto de la temperatura en la evolución de movimiento de masas de suelo (Shibasaki et al., 2016 and 2017;
Lombardo et al., 2019; Seguí and Veveakis, 2020, 2021; and Loche et al., 2022). La Figura 1 (Scaringi and Loche, 2022) muestra cómo en los últimos años se ha producido un incremento notable de las publicaciones acerca del efecto de la temperatura en la estabilidad de taludes.
Este artículo muestra el efecto de la velocidad de corte y la temperatura sobre la resistencia residual mediante la recopilación de datos experimentales publicados y aporta nuevos datos de ensayos de corte residual con el equipo de
Bromhead (1979)en los que se controla la velocidad y temperatura.
Figura 1. Número de publicaciones según la Web of Science Core Collection database (Clarivate, USA) al introducer en el buscador las palabras clave “Temperature AND shear strength AND clay” y “Temperature AND landslide OR slope
stability” (Scaringi and Loche, 2022)
2. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE
La Figura 2 recopila, a partir de un gran número de publicaciones, la resistencia al corte residual medida en diferentes tipos de materiales en función de la velocidad de corte aplicada en ensayos de corte directo, ensayos de corte residual y ensayos rotatorios. En la parte superior de la figura, se indica la clasificación para deslizamientos presentada por Cruden y Varnes, (1996) y actualizada en Hungr et al. (2014) según su velocidad desde muy lenta a muy rápida.
Los resultados de la Figura 2 se representan con referencia al valor de la resistencia media a velocidad
3
un 50%. Para valores mayores de la velocidad el efecto no es claro. En algunos casos la resistencia aumenta (efecto positivo) y en otros disminuye significativamente. Aunque los fenómenos que ocurren a nivel de banda de corte son complejos (dilatancia, contractancia, flujo de agua y reordenación de partículas) se pueden evaluar tendencias generales. Hay que tener en cuenta que a velocidades altas puede ser relevante el efecto acoplado del incremento de presión intersticial generada durante el corte debido a la generación de calor por disipación del trabajo friccional (Uriel Romero and Molina, 1977; Voight and Faust, 1982; Vardoulakis, 2000, 2002; Veveakis et al. 2007;
Goren and Aharonov; 2007, 2009; Pinyol and Alonso, 2010a-b, Goren et al., 2010, Cecinato et al., 2011, He et al., 2015, Alonso et al., 2016; Pinyol et al., 2018 and Segui et al., 2020). El trabajo fricción se disipa en forma de calor e induce un incremento de la temperatura que lleva a la dilatación del medio saturado. El cambio de volumen del agua, en condiciones no drenadas o parcialmente drenadas puede inducir incrementos de la presión de agua que reducen la tensión efectiva y, por tanto, la resistencia. En este artículo no se analiza este efecto, sino el efecto intrínseco de la velocidad de corte sobre la fricción. Se desconoce si en los ensayos de corte referenciado en los que se aplican velocidades altas, del orden de 10
3mm/min, este efecto acoplado tiene lugar.
Figura 2. Resistencia residual normalizada con el valor de la resistencia medida a velocidad 0.01 – 0.025 mm/min.
Para este trabajo se han realizado ensayos de corte anular realizados en un equipo de Bromhead 1979 para tres tipos de materiales que se muestran en la Figura 3. Se trata de una arena de playa de Castelldefels (Barcelona) (SP), una arcilla de de la superficie de rotura del deslizamiento de Canelles (CL, LL=40%, IP=23%; %<2m=30) (Pinyol et al., 2012) y de la arcilla de alta plasticidad Boom (CH, LL=56%, IP=27%; %<2m=45) (Romero, 1999).
No se observó ningún efecto de la velocidad en la resistencia de la arena. Por lo contrario, las arcillas, de baja y alta plasticidad, mostraron un efecto positivo y la velocidad de corte incrementa el ángulo de resistencia residual alrededor de 1 grado cada vez que aumenta esa velocidad en un factor de 10, (algo más en la arcilla de Boom que en la de Canelles).
Es interesante distinguir los ensayos según el contenido de finos como se muestra en la Figura 5 donde además de los resultados de la Figura 1 se ha incorporado los obtenidos en el presente estudio.
Puede observarse que el efecto de la velocidad en la resistencia es prácticamente nulo en suelos sin finos. A excepción de los ensayos publicados por Lemos (1989) para velocidades superiores a 100 mm/min. Estos ensayos, junto a los de Tika (1989 a,b) muestra un ligero efecto negativo para contenidos de finos entre el 10% y el 30% y tiende a aumentar en suelos con un contenido de finos mayor del 40-50% con velocidades altas (mayores de 1 mm/min).
Figura 3. Arena y polvo de las dos arcillas ensayadas.
Figura 4. Variación de la resistencia con la velocidad en los materiales ensayados: Arcilla Boom y Canelles.
X Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables Granada, septiembre 2022 M. Hürlimann y N. Pinyol CIMNE, Barcelona, 2022
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.E‐07 1.E‐06 1.E‐05 1.E‐04 1.E‐03 1.E‐02 1.E‐01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 Normalized residual shear stress (V=0.01 ‐0.025 mm/min)
Displacement rate (mm/min) Tika (1989a) Scarengi (2016) Hungr (1984) Sand, CF = 0
Very rapid Rapid
Moderate Very slow Slow
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.E‐07 1.E‐06 1.E‐05 1.E‐04 1.E‐03 1.E‐02 1.E‐01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 Normalized residual shear stress (V=0.01 ‐0.025 mm/min)
Displacement rate (mm/min) Ramiah (1967) Lemos (1986) Scarengi (2016)
Very rapid Rapid
Moderate Slow
Very slow 0 < CF < 10
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.E‐07 1.E‐06 1.E‐05 1.E‐04 1.E‐03 1.E‐02 1.E‐01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 Normalized residual shear stress (V=0.01 ‐0.025 mm/min)
Displacement rate (mm/min) Lemos (1986) Tika (1989a)
Lupini (1981) Scarengi (2016) 10 < CF < 20
Very rapid Rapid
Moderate Slow
Very slow
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.E‐07 1.E‐06 1.E‐05 1.E‐04 1.E‐03 1.E‐02 1.E‐01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 Normalized residual shear stress (V=0.01 ‐0.025 mm/min)
Displacement rate (mm/min) Salt (1988) Lemos (1986) Tika (1986a) Scarengi (2016) Hu (2018) Saito (2007) Suzuki (2009) Bhat (2013 & 2015)
20 < CF < 30
Very rapid Rapid
Moderate Slow
Very slow
Figura 5. Efecto de la velocidad de corte en la resistencia en función del contenido de finos de las muestras ensayadas, referenciadas en la Error! Reference source not found..
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.E‐07 1.E‐06 1.E‐05 1.E‐04 1.E‐03 1.E‐02 1.E‐01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 Normalized residual shear stress (V=0.01 ‐0.025 mm/min)
Displacement rate (mm/min) Kenney (1967) La Gatta (1970) Scarengi (2016) De Beer (1967) Duong (2018)
40 < CF < 50
Very rapid Rapid
Moderate Very slow Slow
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.E‐07 1.E‐06 1.E‐05 1.E‐04 1.E‐03 1.E‐02 1.E‐01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 Normalized residual shear stress (V=0.01 ‐0.025 mm/min)
Displacement rate (mm/min) Petley (1966) Kenney (1967) Lupini (1981) Tika (1989b) Scarengi (2016) Habibbeigi (2018) Wang (2016) Skempton (1985) Suzuki (2009) CF > 60
Very rapid Rapid
Moderate Slow
Very slow
X Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables Granada, septiembre 2022 M. Hürlimann y N. Pinyol CIMNE, Barcelona, 2022
3. EFECTO DE LA TEMPERATURA
Shibasaki et al. (2016) discute, basándose de casos documentados de deslizamientos activos de poco espesor, inferior a 10 m, que la velocidad de deslizamiento no se puede explicar únicamente en función de la variación de la presión de agua y observa una correlación con la temperatura. En concreto, analiza el caso del deslizamiento de Touge (Japón). Se observa en la Figura 6 que los periodos en los que el deslizamiento está activo (indicadas en gris) y se registraron deslizamientos, éstos coinciden con una reducción de la temperatura. Los cambios en la presión de agua durante estos periodos no son relevantes excepto en el tercer periodo en el que la velocidad de desplazamiento es mayor. Un año después, Shibasaki et al. (2017) presentaron una investigación experimental donde se confirma con ensayos de laboratorio realizados sobre el material de la superficie de rotura un efecto de la resistencia con la temperatura.
Figura 6. Registros de desplazamiento acumulado, lluvias, presión de poros, temperatura del terreno y profundidad de la nieve en el deslizamiento de Touge (Shibasaki et al., 2016)
En este trabajo, el efecto de la temperatura se ha medido en ensayos de corte residual sobre el material
involucrado en el deslizamiento de Canelles. La temperatura se controla enfriando o calentando el
agua de la muestra en un rango de variación entre 5ºC y 50ºC. Los resultados se muestran en la Figura
7. Se observa que la resistencia disminuye un grado aproximadamente con un incremento o
disminución de la temperatura de 46º.
(a) (b)
Figura 7. Variación de la resistencia al corte de la arcilla de Canelles medida en ensayo de corte residual durante (a) enfriamiento (descenso de la temperatura de 44.8ºC) y (b) calentamiento (incremento de la temperatura de 46.4ºC).
12. CONCLUSIONES
En este trabajo se discuten el efecto de la velocidad de corte y la temperatura en la resistencia residual de los suelos a partir de ensayos de laboratorio y se presentan nuevos resultados. Se observa que en materiales con finos, al aumentar la velocidad la resistencia se incrementa, efecto favorable para la estabilización o reducción de la velocidad de un deslizamiento. En el caso de los materiales ensayados, se observa una tendencia creciente de la resistencia con el logaritmo de la velocidad de corte. El efecto es ligeramente mayor en la arcilla Boom, de mayor plasticidad, que en la arcilla de Canelles.
El efecto de la temperatura en la resistencia a lo largo de superficies de deslizamiento, menos estudiado en la literatura, pero con un interés creciente en la comunidad científica, puede ser significativo de acuerdo a los ensayos presentados realizados en la arcilla de plasticidad media de Canelles. La variación de unos 45ºC de temperatura, entre 5ºC y 50ºC, conlleva una variación del ángulo de fricción de 1º de manera que al enfriar, aumenta la resistencia y al calentar, la resistencia baja. Una explicación de este comportamiento se puede asociar al cambio de viscosidad del agua que llena lo poros. Se trata de unos primeros resultados que deben ser complementados con nuevos experimentos y sobre otro tipo de materiales para evaluar el efecto de la mineralogía y granulometría así como el efecto combinado de la velocidad y la temperatura.
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