OCR, velocidad de deformación y viscocidad en arcillas

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(1)OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS. CAMILO QUIÑONES ROZO CODIGO: 200013293 PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL. ASESORADO POR: PROFESOR ARCESIO LIZCANO PELÁEZ PhD. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. FACULTAD DE INGENIERÍA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. BOGOTÁ D.C., JUNIO 4 DE 2004.

(2) A mis padres y hermana quienes se constituyen en el significado y fin mismo de mi existencia.. “The meaning of life is life itself. However, there is no short cut to realizing this fact, and if you have inherited some of my disposition, you will have a long road to travel. But don’t worry. Sooner or later you will see the light -your light- and from then on sailing will be smoother “. Karl Terzaghi.

(3) TABLA DE CONTENIDO. INTRODUCCIÓN. ……………………………………………………... CAPITULO 1. DESCRIPCIÓN DEL SUELO. 1. ………………………. 3. 1.1. GENERALIDADES. ………………………………………………. 3. 1.2. ARCILLA CITEC. ………………………………………………. 4. 1.2.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS ………………………………. 4. 1.2.2. ESTRATIGRAFÍA. 7. ………………………………………………. 1.3. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA Y NEGRA. ………………. 8. 1.3.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS ………………………………. 8. 1.3.2. ESTRATIGRAFÍA. 9. ………………………………………………. 1.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS. ………………. 9. 1.4.1. GRANULOMETRÍA ………………………………………………. 9. 1.4.2. LIMITES DE ATTERBERG. ………………………………. 11. …………………………………………………….... 11. CAPITULO 2. FORMACIÓN / ESTRUCTURA DE SUELOS ARCILLOSOS …………………………………………………….... 12. 2.1 ORIGEN Y COMPOSICIÓN QUÍMICA. ………………………. 12. ………………………………. 15. 1.4.5 RESUMEN. 2.1.1 SUSTITUCIÓN ISOMORFA. 2.2 TAMAÑO, ESTRUCTURA Y EFECTO DEL AGUA. ………. 15. ………………………………. 16. 2.2.2 ASOCIACIÓN ENTRE AGUA Y PARTÍCULAS ARCILLOSAS …………………………………………………….... 17. 2.2.3 FUERZAS DE CARÁCTER ELECTRICO ENTRE PARTÍCULAS …………………………………………………….... 18. 2.2.1 SUPERFICIE ESPECÍFICA.

(4) 2.2.4 INTERACCIÓN ENTRE PARTÍCULAS DE ARCILLA ………. 19. 2.2.5 ARREGLOS DE PARTÍCULAS ARCILLOSAS ………………. 21. 2.3 COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA ARCILLOSA BAJO CARGA …………………………………………………….... 22. 2.3.1 CONTACTO ENTRE PARTÍCULAS. 22. ………………………. 2.3.2 CAMBIO DE ESTRUCTURA BAJO CARGAS. ………………. 23. 2.4 SENSITIVIDAD Y EFECTO DEL TIEMPO SOBRE LAS ARCILLAS …………………………………………………….............. 24. CAPITULO 3. TEORIA Y ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO ……………………………………………………... 25. 3.1. TEORÍA DE LA CONSOLIDACIÓN EN UNA DIMENSIÓN DE TERZAGHI ………………………………………………………. 25. 3.2. PLANTEAMIENTO DE LA HIPOTESIS A E HIPOTESIS B ………………………………………………………. 30. 3.3. CONCEPTO DE ISOTACAS DE ŠUKLJE. ………………. 32. 3.4. EFECTO DEL ENVEJECIMIENTO (CREEP) DE BJERRUM …………………………………………………………….... 34. 3.5. HECHOS RECIENTES. 36. ………………………………………. CAPITULO 4. ENSAYOS DE LABORATORIO. ………………. 44. 41. PROCEDIMIENTO Y EQUIPOS UTILIZADOS. ………………. 44. 4.1.1. ENSAYOS MSLp. ………………………………………………. 44. 4.1.2. ENSAYOS MSLcr. ………………………………………………. 46. 4.1.3. ENSAYOS CRS. ………………………………………………. 48. 4.2. RESULTADOS. ………………………………………………. 52. 4.2.1. ENSAYOS MSLp. ………………………………………………. 52. 4.2.1.1. ARCILLA CITEC ………………………………………………. 52. 4.2.1.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA. 53. ………………………..

(5) 4.2.1.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA ………………………………. 54. 4.2.1.3. RESUMEN MSLp ………………………………………………. 55. 4.2.2. ENSAYOS MSLcr. ………………………………………………. 56. 4.2.2.1. ARCILLA CITEC ………………………………………………. 56. 4.2.2.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA. ……………………….. 57. 4.2.2.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA ………………………………. 58. ……………………….. 59. ………………………………………………. 60. 4.2.3.1. ARCILLA CITEC ………………………………………………. 60. 4.2.3.2. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA. ……………………….. 61. 4.2.3.3. ARCILLA FONTIBÓN NEGRA ………………………………. 62. 4.2.3.4. RESUMEN DE ENSAYOS CRS. ……………………….. 63. CAPITULO 5. ANALISIS DE RESULTADOS: INCIDENCIA DEL CREEP Y DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN EN EL OCR DE LAS ARCILLAS ………………………………………………. 64. 5.1. ANALISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS MSLp. .…. 64. 5.2. ANALISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS MSLcr. .…. 65. 5.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LOS ENSAYOS CRS. .…. 67. 5.4. COMPORTAMIENTO DEPENDIENTE DE έ EN ENSAYOS CRS ……………………………………………………………………... 68. 5.5. INFLUENCIA DE έ EN EL OCR. 70. 4.2.2.4. RESUMEN DE ENSAYOS MSLcr 4.2.3. ENSAYOS CRS. ………………………………. 5.6. CONCORDANCIA ENTRE EL PARAMETRO Θ E Ivα. ………. 73. 5.7. INFLUENCIA DEL CREEP EN EL OCR ……………………….. 75. 5.8. CONCEPTO DE SUELOS SUBCONSOLIDADOS Y SOBRECONSOLIDADOS A LA LUZ DE LA DEFINICIÓN OCR ε&0 ………………………………………………………………. 80.

(6) CONCLUSIONES ………………………………………………………. 85. i) ENSAYOS MSLp. ………………………………………………. 85. ii) ENSAYOS MSLcr. ………………………………………………. 85. iii) ENSAYOS CRS. ………………………………………………. 85. iv) DEFINICIÓN DE OCR ε&0. ………………………………………. v) INFLUENCIA DE έ EN EL OCR ε&0. 86. ………………………………. 86. vi) INFLUENCIA DEL CREEP EN EL OCR ε&0 ………………………. 86. ………………………………………………. 88. AGRADECIMIENTOS.

(7) INTRODUCCIÓN. El comportamiento mecánico de los suelos arcillosos se encuentra sujeto a particulares condicionamientos e influencias, convirtiendo su modelación en una laboriosa tarea que conlleva la necesidad de interpretar y concebir su proceder desde un enfoque que involucre conjuntamente el extensivo conocimiento teórico y la aplicación adecuada del criterio obtenido tras una amplia experiencia. Durante buena parte de la historia de la ingeniería mundial, el comportamiento de las cimentaciones sobre dicho tipo de suelos, fue objeto de una aproximación meramente empírica basada en nociones vagas, que no coincidían plenamente con aquellas planteadas desde un enfoque físicamente basado del problema, llevando finalmente a que la practica de la geotecnia fuera en muchos casos considerada etérea y charlatana. Tal es el caso que para 1925 cuando Karl Terzaghi plantea la teoría de la consolidación, le tomaría cerca de 15 años a la comunidad científica hacer caso omiso de tales prejuicios y reconocer su trabajo como un inmenso logro1, que con el paso del tiempo se divulgo sirviendo de detonante en la evolución de la mecánica de suelos hasta traerla a su estado actual. El presente proyecto de grado pretende colaborar con dicha evolución, mediante la demostración de la existencia de una dependencia en el comportamiento mecánico de los suelos arcillosos con respecto a la velocidad de deformación, particularmente cuando acontece un cambio escalonado en la misma variable o ocurren fases de creep. Para alcanzar dicho propósito, se analizaran muestras de tres tipos de arcilla (CITEC, Fontibón amarilla y Fontibón negra) cuyas historias geológicas, propiedades geotécnicas y métodos de extracción se presentan en el Capitulo 1. El análisis de la dependencia propuesta se inicia como tal en el Capitulo 2, con un recuento de las principales características de la particular estructura exhibida por las arcillas, con el fin de proporcionar una explicación al comportamiento observado en laboratorio desde una perspectiva a escala microscópica. A continuación en el Capitulo 3, se hace un recuento cronológico de las teorías propuestas para modelar el fenómeno de la consolidación incluyendo la de Karl Terzaghi, permitiendo observar de cerca la evolución y controversia presentada entre las mismas hasta alcanzar el estado del conocimiento en la fecha actual.. 1. Casagrande, A; Karl Terzaghi 1893 -1963; Geotechnique; Géotechnique; Vol. 14; No. 1; 1964; pp 1-12. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 1.

(8) Posteriormente en el Capitulo 4, se procede a explicar los procedimientos observados para cada uno de los tres tipos de ensayos oedométricos realizados (MSLp, MSLcr y CRS) para observar esa dependencia en el comportamiento de las arcillas, seguido por una presentación sucinta de los valores alcanzados mediante estos para las diferentes variables. Por ultimo en el Capitulo 5, se realizan los análisis de resultados arrojados por los diferentes ensayos oedométricos, mediante una nueva definición propuesta para el OCR denominada OCR ε&0 , haciendo especial énfasis en los efectos que los cambio sucesivos en la tasa de deformación y las fases de creep ejercen sobre el suelo.. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 2.

(9) CAPITULO 1 DESCRIPCIÓN DEL SUELO 1.1. GENERALIDADES Para efecto de este trabajo se utilizaron tres tipos de arcilla: Arcilla CITEC, arcilla Fontibón amarilla y arcilla Fontibón negra. Los sitios de extracción de las muestras (CITEC y Fontibón) se encuentran situados en el sur oriente de Bogotá D.C a una distancia del orden de 8km entre sí, como se aprecia en la Figura 1.1. En general la evolución geológica del área de localización de las arcillas utilizadas, corresponde a “un sinclinal del terciario tardío (…) relleno por depósitos de origen lacustre de la era cuaternaria”2, que subsiguientemente en el cretáceo “se cubrió por un océano somero”3, tras lo cual la zona “se deprimió y fue cubierta por más de 16.800 m. de depósitos marinos”4. Dicha descripción se ve profundizada por lo definido en el documento de microzonificación sísmica para Bogotá D.C., en donde los sitios de extracción de las muestras CITEC y Fontibón son clasificados como zona 3 y zona 4 respectivamente.. Fontibón. CITEC. Figura 1.1. Mapa de Microzonificación Sísmica de Bogotá D.C. (señalización añadida por el autor)5 2. Cámara de Comercio de Bogotá, Sede Salitre [en línea]; consultado 24 de Febrero de 2004; http://www.ccb.org.co/sedesalitre/diseno/estudiostecnicos/est_suelos.html. 3 Cámara de Comercio de Bogotá, Sede Salitre [en línea]; Ibíd.; 2004. 4 Cámara de Comercio de Bogotá, Sede Salitre [en línea]; Ibíd.; 2004. 5 Ingeominas, Mapas Virtuales, Microzonificación Sísmica Bogotá D.C. [en línea]; consultado 24 de Febrero de 2004; http://www.ingeominas.gov.co/web/mapas/microzon/index.html. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 3.

(10) Dicho documento especifica de la siguiente manera, los suelos preponderantes en cada una de las zonas anteriormente citadas: -. Zona 3 Lacustre A: Está conformada principalmente por depósitos de arcillas blandas con profundidades mayores de cincuenta (50) metros. Pueden aparecer depósitos ocasionales de turbas y/o arenas de espesor intermedio a bajo. Presenta una capa superficial preconsolidada de espesor variable no mayor de diez (10) metros6.. -. Zona 4 Lacustre B: Posee las mismas características de la Zona 3. Lacustre A, pero los depósitos superficiales (Ios primeros 30 a 50 metros) son consistentemente más blandos que los anteriores. Además, corresponde a la zona en que la profundidad hasta la roca base es del orden de 200 m hasta 400 m o más7.. 1.2. ARCILLA CITEC Las muestras de arcilla CITEC fueron extraídas en el lote donde están ubicadas las instalaciones del Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad de los Andes (CITEC), por medio de tubos Shelby, alcanzando una profundidad de 10 m. La profundización de las particularidades encontradas a partir de las muestras de suelo, se detallarán más adelante en el presente capítulo. 1.2.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS Para la extracción de muestras se utilizó un camión equipado con mecanismo barrenador hidráulico usado comúnmente para la elaboración del ensayo del cono de penetración estándar (CPT), mostrado en la Figura 1.2. Para efectos de la recolección de muestras, se usó una barrena de 4‘’ de ancho (10.16 cm.) para realizar la perforación inicial y la limpieza después de la extracción con Shelbys (ver Figura 1.3).. Figura 1.2. Máquina barrenadora usada para la perforación.. 6 7. Alcaldía Mayor de Bogotá D.C.; DECRETO 074 de 2001; 2001; pp 2. Alcaldía Mayor de Bogotá D.C.; Ibíd; 2001; pp 2. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 4.

(11) Figura 1.3. Barrena utilizada para aproximar y limpiar.. La perforación fue secuencial o tubo a tubo como se le conoce en los procedimientos de obra. Inicialmente se perforó hasta una profundidad de un metro sin recolectar material, correspondiendo dicha distancia aproximadamente al espesor de la capa vegetal y orgánica. A partir de dicha profundidad se realizó la primera toma de muestras en tubo Shelby, tras lo cual se sacó la tubería para cambiar por el barrenador, se perforó nuevamente hasta la profundidad previamente alcanzada por la extracción del Shelby (limpieza), para proceder nuevamente a tomar muestras y así sucesivamente hasta alcanzar una profundidad de 10 m. A esta profundidad se localizó un lente de arena que dificultó continuar la perforación, habiendo decidido detenerla para mantener la integridad de los implementos de perforación utilizados. Los tubos de extracción Shelby utilizados fueron engrasados previamente para limitar la fricción en las paredes del mismo con el suelo aledaño, procurando disminuir la resistencia a la perforación. Dichos implementos corresponden al tipo de pared delgada cerrado con un diámetro externo de 2 ¾ in (7 cm.) y diámetro interno de 2 9/16 in (6.51cm), con una pequeña convergencia en la punta para facilitar el hincado de la misma y reducir el diámetro de la muestra permitiendo a su vez la reducción de la fricción al interior del tubo, como se detalla en las Figuras 1.4 y 1.5.. Figura 1.4. Esquema general para tubo Shelby de pared delgada8. 8. Bowles, J; Foundation Analysis and Design; 5ta Ed; Mc. Graw Hill; 1996; pg 149. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 5.

(12) Figura 1.5. Tubo Shelby recién extraído.. A medida que eran extraídos los tubos Shelby, se procedía a rotularlos y taparlos con bolsas plásticas en los extremos, para posteriormente llevarlos al laboratorio en donde sacadas las muestras por medio de un pistón neumático (Figura 1.6), envueltas en papel aluminio (Figura 1.7) y finalmente enparafinados (Figura 1.8). Por último las muestras fueron llevadas al cuarto de humedad y temperatura controlada con el que cuenta el CITEC.. Figura 1.6. Extracción de muestras con la ayuda de un pistón neumático.. Figura 1.7. Disposición de la muestra en el papel aluminio.. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 6.

(13) Figura 1.8. Proceso de enparafinado.. 1.2.2. ESTRATIGRAFÍA El perfil estratigráfico local está compuesto por una sucesión de limos y arcillas, con un lente de arena ubicado a la máxima profundidad de perforación (10 m). En la superficie, el depósito se encuentra cubierto por una capa vegetal de aproximadamente 30 cm. y dos capas disímiles de limos orgánicos que se prolongan hasta los dos metros. A continuación se resume la estratigrafía en la siguiente Tabla. Tabla 1.1. Estratigrafía local en la zona de perforación arcilla CITEC.. ∇ N.F. 5.3m. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 7.

(14) Tras un proceso de preselección llevado a cabo mediante caracterización con límites de Atterberg y granulometrías (hidrometro), se decidió utilizar únicamente para el resto de los ensayos oedométricos realizados en este trabajo la arcilla proveniente del estrato V (2.8 - 4.7 m), dado su mayor contenido de partículas inferior a 2 µm y su alto Índice plástico en comparación con el resto de los estratos. De aquí en adelante a esta arcilla en particular se le continuará denominando arcilla CITEC. 1.3. ARCILLA FONTIBÓN AMARILLA Y NEGRA Las muestras de arcilla Fontibón amarilla y negra fueron extraídas de las excavaciones a trinchera abierta (Figura 1.9) realizadas para la actualización de las redes de acueducto de la localidad de Fóntibón en Bogotá D.C., a una profundidad de 3 y 5 m respectivamente. La profundización de las particularidades encontradas a partir de las muestras de suelo, se detallarán más adelante en el presente capítulo. 1.3.1. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS Para la extracción de muestras se aprovechó la existencia de la excavación a trinchera abierta previamente descrita (Figuras 1.9 y 1.10), tomando muestras en bloque provenientes de la pared de la misma.. Figura 1.9. Pared de la excavación a trinchera abierta de donde se extrajeron las muestras de arcilla Fontibón.. a). b). Figura 1.10. Detalle de las arcillas antes de ser extraídas: a) amarilla y b) negra. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 8.

(15) Las muestras fueron inicialmente separadas de la pared mediante el uso de una pala y posteriormente depositadas en bolsas plásticas. Una vez transportadas al laboratorio estas fueron talladas teniendo en cuenta desechar todo el material heterogéneo y alterado. El resto del procedimiento de protección, emparafinado y almacenamiento fue idéntico al descrito previamente para la arcilla CITEC. 1.3.2. ESTRATIGRAFÍA Dado que la extracción se dio en una excavación previamente realizada, no fue posible obtener un perfil estratigráfico detallado, sin embargo se pudo apreciar una conformación básica de dos estratos de suelo: estrato arcilloso superior de color amarillo algo plástico con presencia de materia orgánica (0 - 3.8 m) y uno arcilloso inferior de color negro algo rígido con presencia de materia orgánica (3.8 - 5 m). La altura del nivel freático no fue determinada toda vez que la trinchera había sido drenada mediante moto bombas previamente a la extracción de las muestras, aunque en la visita fue posible observar algunos remanentes de agua cerca del fondo de esta (aproximadamente 6m). 1.4. CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS 1.4.1. GRANULOMETRÍA Para efectos de la granulometría, teniendo en cuenta que en su gran mayoría los suelos extraídos correspondían a suelos de grano fino, se realizó un lavado de finos a través de un tamiz #200 (0.074mm de apertura) - una vez se secó el suelo al horno -, para conocer el porcentaje más fino que dicho tamiz con el fin de utilizarlo en la clasificación USCS. Adicionalmente, dado el enfoque de este trabajo y su estrecha relación con las partículas de tamaño coloidal, se combino el anterior método con el de granulometría por hidrómetro (Figura 1.11). Para la realización de dicho trabajo, se utilizo un hidrómetro de referencia 152 H ASTM, que mide en unidades de gramo de suelo en suspensión por litro de agua; como agente desfloculador se utilizó hexametafosfato de sodio.. Figura 1.11. Ensayo de granulometría por el método del hidrómetro.. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 9.

(16) Los resultados del ensayo se presentan a continuación sintetizados en las Figuras 1.12, 1.13 y 1.14.. Figura 1.12. Resultados de granulometría para Arcilla CITEC.. Figura 1.13. Resultados de granulometría para Arcilla Fontibón Amarilla.. Figura 1.14. Resultados de granulometría para Arcilla Fontibón Negra. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 10.

(17) 1.4.2. LIMITES DE ATTERBERG Se realizaron límites de Atterberg a las muestras siguiendo el procedimiento tradicional de rayado y secado al horno de la muestra, para posteriormente trabajar con el material que paso el tamiz # 40. A continuación se muestra la carta de plasticidad, con los respectivos puntos para cada uno de los tipos de arcilla (Figura 1.15).. Figura 1.15. Clasificación de los diferentes tipos de arcilla según la carta de plasticidad de A. Casagrande.. 1.4.5 RESUMEN Para facilitar la caracterización del material, teniendo a mano todas las variables ensayadas en función del tipo de arcilla, se presenta en la Tabla 1.2 la totalidad de parámetros antes descritos, aunados a otros calculados que facilitan la caracterización del material por parte del lector, tales como saturación, relaciones de vacío, densidad total, índice de consistencia y actividad. Tabla 1.2. Resumen de características para cada una de las arcillas analizadas.. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 11.

(18) CAPITULO 2 FORMACIÓN / ESTRUCTURA DE SUELOS ARCILLOSOS El comportamiento singular de los suelos arcillosos se deriva de su formación y de su particular estructura. A continuación se explican ciertos factores que inciden directamente en su proceder, particularmente en el fenómeno de comportamiento mecánico viscoso cuyo estudio será el objeto de éste proyecto de grado. 2.1 ORIGEN Y COMPOSICIÓN QUÍMICA Las arcillas provienen de la meteorización química de silicatos gracias a la combinación de elementos en disolución o descomposición química de los materiales, de donde se origina su composición de silicatos hidratados de aluminio (Al2O3·n(SiO2)·k(H2O), donde n y k son números enteros de moléculas)9. Dicha composición química ostenta una combinación de dos estructuras: i). Láminas de tetraedros compuestos cada uno por cuatro átomos de oxígeno en las esquinas y un átomo de silicio en el centro (silica), unidos sucesivamente por las esquinas a través de sus átomos compartidos de oxígeno, como se aprecia en la Figura 2.1. Dicha lamina recibe comúnmente la representación esquemática de paralelogramo propuesta por el Profesor Lambe10, de acuerdo a la Figura 2.2.. Figura 2.1. Lámina compuesta por tetraedros de silica11.. Figura 2.2. Representación esquemática para lámina de silica12. 9. Bowles, J; Op. cit.; 1996; pg 36. Lambe, T; The Structure of Inorganic Soil; Proceedings; ASCE; Vol. 79; Separate No. 315; pg 49. 11 Holtz, R; Kovacs, W; An Introduction to Geotechnical Engineering; 1ra Ed; Prentice Hall; 1981; pg 79. 12 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 79. 10. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 12.

(19) ii). Láminas de octaedros compuestos cada uno por seis átomos de oxígeno o hidroxilos alrededor de un átomo de aluminio, magnesio, hierro, calcio, sodio, litio, hidrógeno o potasio, unidos repetidamente por las aristas gracias a sus átomos compartidos de oxigeno13 (Figura 2.3). Dicha lámina recibe comúnmente la representación de rectángulo propuesta por el Profesor Lambe14, de acuerdo a la Figura 2.4.. Figura 2.3. Lámina compuesta por octaedros de aluminio (gibsita) o magnesio (brucita)15.. Figura 2.4. Representación esquemática para lámina de octaedros, para este caso en particular gibsita16.. La múltiple combinación en diferentes proporciones de laminas de tetraedros y octaedros, da como origen a los distintos tipos de arcillas conocidos, en la que cada cual exhibe un comportamiento asociado con dicha combinación de láminas: Caolinita (1:1) en Figura 2.5, Montmorillonita (2:1) en Figura 2.6 e Ilita (2:1, con átomo de potasio uniendo las capas de tetraedros)17 en Figura 2.7.. 13. Lambe, T; Op. cit.; 1953; pg 49. Lambe, T; Ibíd.;1953; pg 49. 15 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 80. 16 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 80. 17 Grim, R; Physico-Chemical Properties of Soils: Clay Materials; Jounal of the Soil Mechanics and Foundations Division; ASCE; Vol 85; No. SM2; pg 1 -17. 14. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 13.

(20) Figura 2.5. Diagrama esquemático para caolinita18.. Figura 2.6. Diagrama esquemático para montmorillonita19.. Figura 2.7. Diagrama esquemático para Ilita20. 18. Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 81. Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 83. 20 Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 86. 19. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 14.

(21) 2.1.1 SUSTITUCIÓN ISOMORFA La gran variedad de elementos químicos - enumerados en la sección anterior que pueden encontrarse en los octaedros, deriva de un fenómeno llamado sustitución isomorfa, en el que el catión presente en dicha estructura no necesariamente es un aluminio, sino un átomo de aproximadamente el mismo tamaño y similar valencia21, cuya disponibilidad en el momento y lugar de la creación de la arcilla era superior a la del aluminio. Dicha sustitución da a lugar una estructura cristalina distorsionada debido a la ausencia de neutralidad en las cargas eléctricas presentes, que como se analiza posteriormente en este capitulo da origen a dos interesantes fenómenos, que influyen marcadamente en el comportamiento de los suelos arcillosos: fuerzas de interacción eléctricas entre partículas de arcilla e interacción de partículas arcillosas con el agua. 2.2 TAMAÑO, ESTRUCTURA Y EFECTO DEL AGUA Debido al tipo de meteorización de la cual provienen las partículas de arcillas, su tamaño es muy reducido, abarcando diámetros inferiores a los 2 µm, con una característica forma laminar en la que dos de sus dimensiones son marcadamente superiores a la tercera (ver Figuras 2.8 y 2.9).. Figura 2.8. Partícula individual de caolinita22.. Figura 2.9. Partícula individual de ilita23.. Sin embargo, como se explica más adelante en este aparte, debido a la presencia de parcialidades eléctricas en las partículas individuales de arcilla, se da origen a diversas fuerzas de atracción y repulsión en las partículas, que las agrupan en floculos o las dispersan (ver Figura 2.10) dependiendo de factores tan importantes como la naturaleza misma de la arcilla (estructura cristalina y deficiencia de cargas) y/o la presencia masiva de iones en el agua de hidratación. La conformación de los anteriores estados de floculación o de dispersión, imprime una característica respuesta mecánica de los suelos a los diferentes estados de esfuerzos a los que sean sometidos en la práctica.. 21. Holtz, R; Kovacs, W; Ibíd.; 1981; pg 79. Lambe, T; Whitman, R; Mecánica de Suelos; 2da. Ed.; 2001; Ed. Limusa; pg 57. 23 Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; 2001; pg 57. 22. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 15.

(22) Figura 2.10. Fotografía de microscopio para ilita floculada (longitud de línea clara equivale a 5µm)24.. 2.2.1 SUPERFICIE ESPECÍFICA El parámetro superficie especifica (SE) define la cantidad de área superficial por volumen o masa que ostenta cada partícula. En términos de volumen dicho parámetro esta dado por la Ecuación 2.1:. SE =. A. Sup. (2.1) V. Para lograr entender la anterior relación supongamos una esfera de radio uniforme. Al disminuir el radio en cierto grado las dos variables que componen la anterior relación se ven afectadas en diferente proporción, ya que el área superficial disminuye proporcionalmente al cuadrado del radio, mientras que el volumen lo hace al cubo del mismo. De lo anterior se deduce que la superficie específica para una partícula pequeña ha de ser superior que aquella para una partícula de tamaño superior. Dicho resultado adquiere singular importancia extrapolado al concepto de matriz de suelo en el que las partículas se ven rodeadas por agua, ya que implica que un volumen determinado compuesto de partículas pequeñas requiere una cantidad significativamente mayor de agua para hidratar la totalidad de sus superficies, que aquel que necesitaría el mismo volumen compuesto por partículas relativamente mas grandes. En la práctica esto se evidencia en el elevado contenido de agua que tradicionalmente presentan los suelos constituidos en su mayoría por partículas de arcilla. Una vez familiarizados con la definición de superficie específica en términos de volumen, basta con relacionar el volumen de la partícula con el peso mediante la densidad del material, para alcanzar la definición de este parámetro en términos. 24. Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 86. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 16.

(23) de masa, lo cual se logra mediante la multiplicación propiedad, es decir según la Ecuación 2.2:. SE =. del numerador por esta. A. Sup. A. Sup. = (2.2) V ⋅ρ M. Esta última definición es la más acogida en ámbitos académicos y en la cual se reportan usualmente los datos encontrados. En la Tabla 2.1 se reportan los valores de grosor, diámetro y superficie específica para cuatro de los más representativos minerales de arcilla. Tabla 2.1. Valores Promedio Relativos Típicos de Ancho, Diámetro y Superficie Específica para Minerales de Arcilla Representativos25.. Mineral de Arcilla. Grosor Típico (nm). Diámetro Típico (nm). Superficie Especifica (km2/kg). Montmorillonita. 3. 100-1000. 0.8. Ilita. 30. 10000. 0.08. Clorita. 30. 10000. 0.08. Caolinita. 50-2000. 300-4000. 0.015. 2.2.2 ASOCIACIÓN ENTRE AGUA Y PARTÍCULAS ARCILLOSAS Adicionalmente a los altos contenidos de agua usuales en suelos de este tipo, se originan otros aspectos que involucran al agua y a las partículas de arcilla como protagonistas. El origen de esta situación radica en las características de deficiencia o suficiencia de electrones de cada una de las partes. En primer lugar, el agua como molécula dipolar, posee dos centros definidos de carga, uno positivo y otro negativo, por lo cual dichas moléculas se ven electroestáticamente atraídas hacia las superficies de los cristales que forman las arcillas, gracias a lo cual se forman puentes de hidrógeno supremamente estables y fuertes que adhieren vigorosamente las moléculas de agua a las paredes de las partículas. Además de lo anterior dada la carga negativa neta predominante en la superficie de las arcillas, todos aquellos cationes en solución presentes en el agua, tienden a arrastrar las moléculas de la misma hacia las arcillas26. Todos los factores anteriormente mencionados aunados, generan una fuerte asociación.. 25 26. Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; 1981; pg 91. Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 72. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 17.

(24) La anterior asociación implica que las partículas de arcilla y las moléculas de agua presentes en los intersticios de la matriz de suelo, produzcan una particular secuencia de capas que difieren de las presentadas en suelos de tamaño superior, como se puede ver en la Figura 2.11. Dicha secuencia se explica a continuación27: i). ii). iii). Agua Adsorbida: Con un grosor de aproximadamente dos moléculas de agua (0.005µm), estas se encuentran sujetas a la superficie de la arcilla por poderosas fuerzas eléctricas, que les confieren un estado que podría describirse como sólido. Esta capa no puede ser removida mediante secado al horno y se considera como parte de la partícula de suelo. Agua Químicamente Combinada (Doble Capa): Con un grosor medio de 0.04µm, cumple la función de agua de hidratación dentro de la estructura cristalina de la arcilla. Su grosor depende de varios factores, primordialmente diámetro de la partícula, catión presente en la lámina de octaedros y presencia de iones en solución dentro del agua. Con contadas excepciones, no es posible removerla por medio de secado al horno. Agua Libre en Intersticios: No se encuentra sujeta rígidamente como las dos anteriormente mencionadas y es libre de moverse entre las partículas de suelo. Es fácilmente removible mediante el uso de drenajes, secado al aire libre y secado al horno.. Figura 2.11. Secuencia de capas de agua alrededor de una partícula arcillosa28. La configuración de capas de agua anteriormente descritas, es en gran parte responsable del complejo comportamiento que aduce el suelo bajo los estados de esfuerzos inferidos a estos durante la práctica de la ingeniería civil, y particularmente de sus características mecánicas viscosas, en las que se interesa este documento. 2.2.3 FUERZAS DE CARÁCTER ELECTRICO ENTRE PARTÍCULAS Retomando las características de desfase en magnitud de cargas predominante en este tipo de suelos, es de esperarse que no solo se ejerza una atracción entre 27 28. Bardet, J; Experimental Soil Mechanics; 1ra Ed; Prentice Hall; 1997; pg 76. Bardet, J; Ibíd.; 1997; pg 76. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 18.

(25) las partículas y el agua adyacente, sino que una vez formalizadas las diferentes capas de liquido alrededor de los cristales de arcilla, surja una nueva interacción entre cada una de las partículas (suelo+agua) en virtud a lo anterior. Es así como entran en juego fuerzas de carácter eléctrico, que poseen dos características importantes: i) se originan en el interior de los cristales minerales y ii) pueden tener influencia a distancias relativamente “grandes” del orden de cientos de Å. Estas fuerzas en buena medida dictan la posible composición estructural que han de tener los suelos, como se explica a continuación: i). ii). Fuerzas de Coulomb: Las partículas de arcilla presentan una predominante carga negativa, que tiende a equilibrarse ante los cationes presentes en el agua que forma la doble capa. Sin embargo debido a la existencia de otras partículas en similares condiciones, una vez sus dobles capas entren en contacto directo, tomará lugar una fuerza de repulsión en respuesta a la aproximación de estas dos partículas con igual polaridad. Por lo tanto, dicha fuerza se encuentra estrechamente regulada por el tamaño de las dobles capas exhibidas por las partículas, generando así que cualquier variación en el sistema que afecte dicho tamaño afecte la magnitud de las mismas. Es decir, para una misma distancia intergranular se observa una disminución en las fuerzas de repulsión, directamente proporcional a la disminución en el grosor de las dobles capas de los cristales actuantes29. Fuerzas de van der Waals: Se constituyen como fuerzas de atracción que actúan entre las moléculas adyacentes. Estas fuerzas tienen el efecto equivalente a la existencia de un esfuerzo externo que ayuda a cohesionar las partículas. Su presencia se debe a la existencia de moléculas dipolares30 (agua primordialmente) y sus efectos son solo apreciables a ínfimas distancias, lo cual dada las pequeñas dimensiones de las partículas de arcilla, hace que sean posibles en dicho sistema. Su efecto no se ve afectado por las características del fluido existente en la matriz de suelo31.. 2.2.4 INTERACCIÓN ENTRE PARTÍCULAS DE ARCILLA De acuerdo al balance entre los dos tipos de fuerzas anteriormente mencionadas, se pueden encontrar dos tipos básicos de estados de organización en las partículas: floculación o dispersión. El primero obedece a una preponderancia de las fuerzas de atracción, por lo cual las partículas tienden a moverse la una hacia la otra. La manera en que estas establezcan contacto se ve influenciada directamente por el ambiente de sedimentación en el que hayan sido producidas, en especial por el tipo de iones 29. Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 69. Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 92. 31 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 69. 30. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 19.

(26) en solución dentro del agua adyacente. Existen dos tipos primordiales de floculación que se explican a continuación: i). Floculación Salina: Ocurre en ambientes marinos, donde los iones en solución son primordialmente sodio y magnesio32. En esta disposición existe cierto grado de paralelismo (contacto cara-cara) entre partículas adyacentes33, como se observa en la Figura 2.12.. Figura 2.12. Disposición de floculación salina34.. ii). Floculación No Salina: Toma lugar en depósitos de sedimentos con presencia de agua dulce, donde los iones disponibles son calcio y potasio35. En este tipo de floculación, las partículas tienden a orientarse normalmente entre si (contacto borde-cara)36, dada la atracción electroestática entre el borde de una partícula (polaridad positiva) y la cara de la otra (polaridad negativa, originada de la sustitución isomorfa), como se observa en la Figura 2.13.. Figura 2.13. Disposición de floculación no salina37.. La segunda disposición posible, se debe a la superioridad de las fuerzas de repulsión, donde las partículas se orientan como un conjunto de naipes (contacto borde-borde). Aunque en su gran mayoría, los suelos arcillosos se encuentran en disposición floculada, en contadas ocasiones durante su producción en depósitos de sedimentación donde el contenido de humedad es elevado, es posible que se encuentren disposiciones dispersas38 (Figura 2.14).. 32. Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 93. Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 70. 34 Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; pg 71. 35 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 93. 36 Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 70. 37 Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; pg 71. 38 Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 96. 33. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 20.

(27) Figura 2.14. Disposición dispersa39.. En cuanto a las propiedades de la matriz de suelo de las que depende la tendencia a una u otra disposición, se debe recordar la discusión del anterior apartado, en la que se aclaraba la ingerencia que dichas condiciones tenían en las fuerzas de Coulomb y la no dependencia de las fuerzas de van der Waals hacia las mismas. Dado lo anterior, se establecen ciertas propiedades que al ser alteradas provocan una tendencia hacia la floculación, resumidas en la Tabla 2.2. Tabla 2.2. Propiedades a aumentar o disminuir para ayudar la floculación40. Aumento de las Siguientes Propiedades Disminución de las Siguientes Propiedades Concentración de electrolitos Valencia iónica Temperatura. Constante dieléctrica Tamaño del ion hidratado Adsorción de aniones pH. 2.2.5 ARREGLOS DE PARTÍCULAS ARCILLOSAS Como se había discutido en uno de los numerales anteriores, la incidencia de las fuerzas eléctricas sobre los elementos constitutivos de los suelos arcillosos, hacen que rara vez sean encontrados granos en condición aislada. Dada esta condición, se hace la siguiente clasificación41 en torno a los arreglos que constituyen la microestructura y la macroestructura de la arcilla, como se aprecia en la Figura 2.15: -. Dominios (Domains): Partículas individuales de arcilla en estado floculado, que constituyen arreglos submicroscópicos. Grupos (Clusters): Conjunto de dominios que se unen a su vez, para dar lugar a estructuras fácilmente detectables por medio de microscopios. Granos (Peds): Compuesto de grupos de tamaño macroscópico, que junto con las fisuras y discontinuidades del suelo dan lugar a la macroestructura. 39. Lambe, T; Whitman, R; Op. cit.; pg 71. Lambe, T; Whitman, R; Ibíd.; pg 70. 41 Yong, R; Sheeran, D; Fabric Unit Interaction and Soil Behaviour; Proceedings of the International Symposium on Soil Structure; Gothenburg, Sweden; 1973; pg 176 -183. 40. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 21.

(28) del suelo, ejerciendo una influencia importante en el comportamiento del suelo en la práctica.. Figura 2.15. Diagrama esquemático de la microestructura y macroestructura de las arcillas: 1, Dominios; 2, Grupos; 3, Granos; 4, Grano de limo; 5, Microporo; 6, Macroporo42.. 2.3 COMPORTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA ARCILLOSA BAJO CARGA 2.3.1 CONTACTO ENTRE PARTÍCULAS La consecuencia más notable de la presencia de lo doble capa, es el nulo contacto entre partículas sólidas, lo que implica una dependencia absoluta del contenido de agua en cuanto a la interacción partícula-partícula, especialmente en el grosor de la doble capa, confiriéndole una mayor o menor plasticidad y viscosidad, dado el caso. Adicionalmente, la presencia de esta capa desliga a este tipo de suelos, de la dependencia directa de la resistencia y comportamiento mecánico con respecto a la forma y tamaño de las partículas en la matriz de suelo (granulometría), con la que se identifican a los suelos granulares. Si bien, aunque de manera indirecta, en virtud de su alta superficie especifica los suelos arcillosos mantienen una observancia con el tamaño de sus partículas, la combinación del anterior factor y de su tendencia a atraer ciertas cargas - dadas las características eléctricas tanto del agua como del suelo - es la que provee a los suelos arcillosos (compuestos en su mayoría por partículas inferiores en diámetro a 2µm) de su particular respuesta a los esfuerzos. 42. Holtz, R; Kovacs, W; Op. cit.; pg 98. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 22.

(29) A pesar de la nula existencia de un contacto partícula-partícula anteriormente anotada, se ha demostrado experimentalmente43, que la transmisión de esfuerzos normales tanto en arcillas dispersas como floculadas sucede gracias a la transmisión de estos mediante fuerzas eléctricas de largo alcance - aun ante la ausencia de contacto físico - para las primeras, y mediante el contacto indirecto de la doble capa para las segundas. 2.3.2 CAMBIO DE ESTRUCTURA BAJO CARGAS El alto contenido de agua y la peculiar interacción entre la interfase liquida y la sólida presente en este tipo de suelos, hace que la respuesta mecánica característica de estos sea marcadamente diferente a la de los suelos granulares. Lo anterior debido primordialmente a la ausencia de capacidad del agua para soportar los esfuerzos cortantes que se presentan al interior del suelo. Esta característica del líquido conlleva a la migración del mismo, hacia fuera de la masa sujeta a dicho tipo de esfuerzos, dejando a su paso espacio en los intersticios de la matriz granular, que tienden a generar reacomodamiento de partículas, en busca de una estructura mas densa que pueda sobrellevar la solicitación impuesta por la carga aplicada. En este punto, debe hacerse la salvedad de que es el agua libre intersticial, aquella que se ve forzada a dejar los poros de matrices sujetas a esfuerzos cortantes, toda vez que el agua adsorbida y la doble capa permanecen alrededor de las partículas, aunque la segunda sea objeto de disminución en su espesor debido al incremento en los esfuerzos normales efectivos entre las partículas. Un aspecto interesante del comportamiento mecánico de los suelos está asociado con este proceso de migración de agua, pues dada la baja permeabilidad exhibida por las arcillas, este es un fenómeno que se produce retardadamente con respecto a la aplicación de la carga externa, dando lugar a un comportamiento mecánico viscoso evidenciado en la lenta evolución de la reducción de los poros (deformación) con respecto al momento en que se aplicó la carga. Paralelamente, a esta disminución en el tamaño de los poros por reacomodamiento de las partículas, suele llevarse a cabo un proceso de creep (reducción de volumen bajo esfuerzo efectivo constante) en el que los cristales de arcilla son objeto de deformaciones plásticas permanentes, por el alto grado de concentración de esfuerzos al que son sujetos en los puntos de “contacto”. Aunque estos dos eventos anteriormente descritos, sucedan simultáneamente en la masa de suelo, la teoría los modela como eventos separados que toman lugar uno después del otro (consolidación primaria y secundaria), dada la dificultad para obtener representaciones matemáticas acertadas, para un sistema tan extremadamente complejo. 43. Bolt, G; Physico-Chemical Analysis o the Compressibility of Pure Clays; Géotechnique; Vol. 6; pg 86; 1956. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 23.

(30) 2.4 SENSITIVIDAD Y EFECTO DEL TIEMPO SOBRE LAS ARCILLAS Con el paso del tiempo debido a efectos físicos y químicos, la estructura va evolucionando siempre en procura de reorganizarse hacia aquel estado que le permita sobrellevar mejor las condiciones reinantes de solicitación, bien sea por el reacomodamiento de particulas ocurrido bajo la aplicación de una carga, proveniente de una acción natural (sedimentación) o acción antropogénica (estructuras artificiales) - como se explicó en el anterior aparte - , o por el surgimiento de cementantes naturales (sílice, calcita u oxido de hierro) en los puntos de proximidad entre dos partículas a partir de una prolongada exposición a agentes químicos. Sin embargo, aunque dichas transformaciones del material logran una mejora considerable en el comportamiento mecánico del mismo, especialmente para aquellas cargas cercanas a los máximos históricos experimentados, son débiles y susceptibles a las perturbaciones por concepto de remoldeo. Para medir dicha susceptibilidad anteriormente anotada, se utiliza el término sensitividad, definido mediante la Ecuación 2.3: St =. S u ,inalterada (2.3) S u , perturbada. Donde Su, es la notación para resistencia al corte no drenada.. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 24.

(31) CAPITULO 3 TEORIA Y ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO Los asentamientos presentados en suelos arcillosos bien sean por un incremento en σ’ o por un abatimiento del nivel freático, se originan por la salida del agua contenida en los vacíos de la matriz del mismo suelo, conllevando a una disminución en el volumen de los mismos. En dicho proceso se observa un desfase temporal, debido a la bajísima permeabilidad característica de este tipo de suelos, entre el momento en que se varía la solicitación y aquel en el que se producen los asentamientos. 3.1. TEORÍA DE LA CONSOLIDACIÓN EN UNA DIMENSIÓN DE TERZAGHI El profesor Karl Terzaghi - apoyado en sus conocimientos de flujo de calor en medios porosos - propuso en 1925 la teoría de la consolidación en una dimensión44. En esta, haciendo usos de las variables esfuerzo efectivo (σ’), presión de poros (u) y esfuerzo total (σt), que posteriormente se extendieron para explicar otros fenómenos de la mecánica de suelos, explica de manera separada la relación esfuerzo-deformación y tiempo-deformación en una masa de suelo. Para la relación tiempo-deformación se plantea la ecuación diferencial:. ∂ (∆u ) k ⋅ E s ∂ 2 (∆u ) = ⋅ 2 (3.1) γw ∂t ∂ z Dicha ecuación fue desarrollada bajo los siguientes supuestos45: i) La arcilla esta 100% saturada. ii) Existen condiciones de frontera drenadas tanto en la parte superior como en la inferior. iii) La ley de Darcy es válida, para las velocidades de flujos desarrolladas en el proceso. iv) La compresión y el flujo son unidimensionales (oedométricas) v) Los granos de suelo y el agua son incompresibles. vi) El incremento de carga aplicado no produce ningún cambio significativo en el grosor (small strain theory), y tanto Es como k permanecen constantes. vii) Hay una única relación lineal entre el cambio de volumen ∆ε y el cambio en el esfuerzo efectivo ∆σ’. En otras palabras, ∆ε= Es ∆σ’, donde Es se supone constante a lo largo del intervalo de esfuerzos aplicados.. 44 45. Terzaghi, K; Erdbaumechanik auf bodenphysikalischer Grundlage; Leipzig and Vienna; Deuticke;1925. Holtz, R; Kovacs, W; Op.cit.; 1981; pp 683. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 25.

(32) Las suposiciones anteriormente anotadas, dejan dos puntos importantes a resaltar: i) El hecho de que la anterior ecuación este basada en una teoría small strain, indica que no tiene en cuenta la posibilidad de que se desarrolle creep (disminución de e bajo σ’ constante) y en consecuencia la existencia de una consolidación secundaria (que se explicará en el siguiente numeral); y ii) Al suponer una relación lineal única que relacione los ∆ε y los ∆σ, se supone un comportamiento lineal elástico del suelo, que nuevamente omite las deformaciones plásticas (creep) asociadas con la consolidación secundaria sobre la cual se hablará más adelante. Si bien como se puede ver a simple vista, la ecuación plantada por Terzaghi no involucra de manera alguna los asentamientos, al involucrar el concepto de presión de poros y por lo tanto ineludiblemente el de esfuerzo efectivo anteriormente mencionados (recuérdese que para este caso σ’= σt+∆σt-u-∆u), se logra modelar las deformaciones causadas al suelo. Esto debido a que como bien observo el mismo Terzaghi, al realizar un incremento en el esfuerzo total ∆σt, el esqueleto de suelo inicialmente no asume ninguna porción de los esfuerzos derivados del incremento externo (σ’= 0), sino que por el contrario estos son tomados temporalmente en su totalidad por el agua incluida en los poros en forma de presión de poros en exceso (∆u = ∆σt). De tal manera, la ecuación describe la disipación de ∆u en el tiempo y de tal manera el incremento proporcional de σ’ (Figura 3.1). Finalmente dado que la salida de agua de los poros que causa el cambio volumétrico en la arcilla, está directa y proporcionalmente relacionada con la disipación de ∆u, la cantidad de asentamiento presentado en un tiempo dado, se puede encontrar como un porcentaje de los asentamientos finales que se producirán una vez finalizada la consolidación, tal como se ve más adelante en la Ecuación 3.8.. Figura 3.1. Evolución del esfuerzo total, esfuerzo efectivo y presión de poros respectivamente durante la consolidación. En cuanto a la modelación de la relación esfuerzo-deformación, tras observar un comportamiento típico en las curvas de relación de vacíos contra esfuerzo (ver Figura 3.2.), se caracterizó dicho comportamiento de la siguiente manera:. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 26.

(33) σ0’: Esfuerzo de Referencia Arbitrario. Figura 3.2. Comportamiento típico del suelo ante una carga oedometrica. -. -. -. -. -. Un suelo con esfuerzos verticales efectivos (σ’) igual a cero que es cargado oedométricamente, sigue en el espacio cartesiano e contra log (σ’/σ’0) una trayectoria lineal definida de compresión caracterizada por una pendiente Cs. A este comportamiento se le denomina rama de recarga o sobreconsolidada (SC). Continuando el proceso de carga-compresión, una vez dicho suelo alcanza su máximo esfuerzo vertical efectivo histórico (σ’p), cambia su comportamiento hasta alcanzar una pendiente mayor denominada Cc. Dicho comportamiento sigue indefinidamente mientras la aplicación de carga continúe incrementándose y se denomina rama virgen o normalmente consolidada (NC). En caso de que una vez encontrándose el suelo en estado NC, se disminuya la carga que actúa sobre este, el suelo se expande disminuyendo la deformación y por lo tanto aumentando la relación de vacíos (e), cambiando nuevamente su comportamiento para dicho proceso de descarga-expansión alcanzando una pendiente Cs, dicha fase recibe el nombre de rama de descarga. El comportamiento del suelo sigue invariado mientras la carga aplicada se reduce y en caso de que esta sea incrementada vuelve a un proceso de carga-compresión sin variar hipotéticamente la pendiente de su trayectoria. Si bien las pendientes de las ramas de recarga y descarga son similares como se puede apreciar en la Figura 3.2; se nota a la vez la existencia de histéresis toda vez que no se sigue exactamente la misma trayectoria. El suelo continua con su comportamiento SC, hasta alcanzar el nuevo σ’p, correspondiente a la carga máxima antes de que se diera lugar a la descarga, donde cambia una vez mas su conducta a NC con una pendiente Cc.. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 27.

(34) El cálculo de las respectivas pendientes Cs y Cc se realiza basándose en la información sacada de la gráfica e vs. log (σ’/σ’0), (Figura 3.4), siguiendo la ecuación 3.2 y Ecuación 3.3.. Figura 3.1. Cálculo de Cs y Cc. Cs =. Cc =. e1 − e2 e1 − e2 ∆e = = (3.2) σ ' σ σ ' ' ⎛ ⎞ ⎞ ⎞ ⎛ ⎛ ⎞ ⎛ σ ' 2 2 1 ∆ log⎜ σ ' ⎟ log⎜ σ ' ⎟ − log⎜ σ ' ⎟ log⎜ σ ' ⎟ 1 ⎠ ⎝ 0⎠ 0⎠ 0⎠ ⎝ ⎝ ⎝ e1 − e2 e1 − e2 ∆e = = σ ' ∆ log⎛⎜ σ 'σ ' ⎞⎟ log⎛⎜ σ 2 'σ ' ⎞⎟ − log⎛⎜ σ 1 'σ ' ⎞⎟ log⎛⎜ 2 σ ' ⎞⎟ 1 ⎠ ⎝ 0⎠ 0⎠ 0⎠ ⎝ ⎝ ⎝ (3.3). Para caracterizar el comportamiento de un suelo arcilloso dado, se decidió emplear la variable OCR (over consolidation ratio) definido a continuación:. OCR =. σ' (3.4) σ p'. Dicho parámetro refleja los comportamientos sobre y normalmente consolidados de la siguiente manera: -. Normalmente Consolidado: El valor de OCR se hace igual a 1, toda vez que en cualquier punto de la rama virgen el esfuerzo efectivo actuante σ’ sobre el suelo en ese momento, es igual al valor máximo histórico σ’p; nótese que el valor de OCR jamás puede ser inferior a 1.. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 28.

(35) -. Sobreconsolidado: El valor de OCR es superior a la unidad, bien sea por que el suelo se encuentra en la rama de descarga o de recarga, donde el σ’ es inferior a σ’p.. En cuanto al cálculo de los asentamientos debidos a la consolidación, basándose en la gráfica anterior y en el estado de consolidación actual del suelo se utilizan las siguientes ecuaciones. Donde spf es el asentamiento final debido a la consolidación, H0 es la longitud inicial del estrato, e0 es la relación de vacíos inicial, σ’i es el esfuerzo efectivo inicial del suelo y ∆σt el incremento de esfuerzo total al que va a ser sometido el suelo. -. Para el caso en el cual el suelo continúa a través del proceso con un OCR mayor a 1, es decir de un σ’i bajo a uno un poco mas alto pero aun así inferior a σ’p, se utiliza la Ecuación 3.5. s pf = C s ⋅. -. ⎞ ⎟⎟ (3.5) ⎠. Para el caso en el cual el suelo cambia durante el proceso de un OCR mayor a 1 a uno igual a 1, es decir de un σ’i inferior a σ’p pasa a uno superior que a su vez se convierte en el nuevo σ’p, se utiliza la Ecuación 3.6.. s pf = C s ⋅ -. ⎛ σ '+ ∆ σ t H0 ⋅ log⎜⎜ i 1 + e0 ⎝ σi '. ⎛ σ '+ ∆σ t ⎛σ p'⎞ H0 H ⎟⎟ + C c ⋅ 0 ⋅ log⎜ i ⋅ log⎜⎜ ⎜ σ ' 1 + e0 1 + e0 ⎝ σi' ⎠ p ⎝. ⎞ ⎟ (3.6) ⎟ ⎠. Para el caso en el cual el suelo continua a través del proceso con un OCR superior a 1, es decir de un σ’i superior a σ’p a uno aun mayor, se utiliza la Ecuación 3.7. ⎛ σ '+ ∆σ t ⎞ H ⎟⎟ (3.7) s pf = C c ⋅ 0 ⋅ log⎜⎜ i 1 + e0 ⎝ σi' ⎠. De manera análoga de acuerdo a lo anteriormente explicado, los asentamientos originados por consolidación para un tiempo x cualquiera entre el inicio y el final de dicho proceso, están dados por la Ecuación 3.8. ⎛ ∆u (t = x ) ⎞ ⎟ (3.8) s p (t = x ) = s pf ⋅ ⎜⎜1 − ∆σ t ⎟⎠ ⎝. Durante los 79 años de uso de esta teoría se ha podido apreciar, incluso por parte del mismo Terzaghi46, que las predicciones basadas en la relación tiempo46. Terzaghi, K; Discussion; Proc. 3rd. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng. ; Zurich; Vol. 3; 1953; pp 158-159. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 29.

(36) deformación no siempre concuerdan con los resultados observados en el terreno. Es de resaltar, sin embargo, que el planteamiento de un modelo físicamente basado para un fenómeno de esta complejidad, fue un logro inmenso para la época y dió lugar al desarrollo actual de la geotecnia, convirtiéndose en una herramienta de gran utilidad como primera aproximación a las magnitudes del problema. 3.2. PLANTEAMIENTO DE LA HIPOTESIS A E HIPOTESIS B En 1936, tan solo 11 años después de la publicación del trabajo de Terzaghi concerniente con la consolidación en arcillas, Buisman47 y Gray48 fueron los primeros en presentar diferencias respecto a los resultados previstos por la teoría del primero. Para dar explicación y modelar dichas discrepancias, se abrió paso una diferenciación del problema en dos fenómenos distintos que producen los asentamientos observados. Según esta diferenciación, inicialmente se produce una variación en el esfuerzo efectivo como consecuencia de la disipación de ∆u y salida de agua asociada en los poros, a la cual se le llama consolidación primaria (la cual es explicada por la teoría de Terzaghi descrita en el numeral anterior). Dicha etapa culmina una vez el esfuerzo efectivo se hace constante (∆u=0), tras lo cual sigue causándose cambio volumétrico, pero esta vez debido a deformaciones plásticas (creep) en la estructura del suelo y sus partículas, denominándose a esta ultima consolidación secundaria. El comportamiento de la consolidación secundaria (Figura 3.5) está caracterizado por una pendiente Cα y sus asentamientos son calculados a partir de dicha pendiente. Ambos están dados respectivamente por las Ecuación 3.9 y Ecuación 3.10.. Figura 3.5. Evolución de las consolidaciones primarias y secundarias en el tiempo. 47. Buisman, A; Results of long duration settlement test; Proc. 1st. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Cambridge; Vol. 1; 1936; pp 103-107. 48 Gray, H; Progress report on research on the consolidation of fine grained soils; Proc. 1st. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Cambridge; Vol. 2; 1936; pp 138-141. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 30.

(37) ∆e (3.9) ⎛t f ⎞ log⎜ ⎟ ⎝ ti ⎠ Hp ⎛t ⎞ s s = Cα ⋅ ⋅ log⎜ f ⎟ (3.10) t 1+ ep ⎝ i ⎠ Cα =. Para la Ecuación 3.10, ss se refiere a los asentamientos por concepto de consolidación secundaria, Hp al grosor del estrato al final de la consolidación primaria, ep a la relación de vacíos al final de la consolidación primaria y t al tiempo transcurrido desde la culminación de la consolidación primaria hasta el momento a analizar. La trascendencia de esta diferenciación de fenómenos en el tiempo - a la cual se le denomina Hipótesis A – es que implica la separación de los dos fenómenos convirtiéndolos así en dos etapas sucesivas diferentes. Posteriormente Taylor & Merchant49 en su trabajo conjunto y Taylor50 en su trabajo individual, postulan la denominada Hipótesis B, según la cual la ocurrencia de los asentamientos en suelos arcillosos se debe a la coexistencia temporal de la salida del agua incluida en los poros y a deformaciones plásticas en la estructura del suelo, es decir plantean la coexistencia temporal de la consolidación primaria y secundaria. La importancia intrínseca de la discusión alrededor de las dos hipótesis, es apreciable desde el punto de vista del comportamiento reológico de la arcilla, ya que como material viscoso (aquel en el que se observa un desfase importante entre el momento en que es aplicada una carga y el momento en que se presenta la deformación asociada a esta) la hipótesis A plantea que dicho comportamiento durante la consolidación primaria, obedece al retardo en la disipación de ∆u y por ende de la salida del agua intersticial ubicada en los poros de la matriz de suelo, debido a la baja permeabilidad propia de tales materiales; mientras que la hipótesis B propone que dicho comportamiento es fruto, tanto del retardo en la disipación de ∆u como de características viscosas inherentes a las partículas y estructura del suelo. El debate acerca de cual de las dos hipótesis refleja de manera más certera el comportamiento de los suelos arcillosos sigue vigente hasta la fecha, nutrido por la intervención de varios académicos como Šuklje51, Barden52 y Bjerrum53 a favor de. 49. Taylor, D; Merchant, W; A theory of consolidation accounting for secondary compression; J. Math. Phys; Vol. 19; 1940; pp 167-185. 50 Taylor, D; Research on consolidation of clays; Series 82; 1942; Massachusetts Institute of Technology. 51 Šuklje, L; The analysis of the consolidation process of the isotache method; Proc. 4th. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; London; Vol. 1; 1957; pp 200-206. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 31.

(38) la hipótesis B y de Leonards54, Mesri & Godlewski55 y Ladd et al.56 a favor de la hipótesis A. Sin embargo a pesar de la discusión al respecto, todavía no se ha presentado un cambio significativo en la práctica ingenieril ni en la manera de interpretar el comportamiento de los suelos arcillosos, que sigue influenciada principalmente por los planteamientos de la primera hipótesis. 3.3. CONCEPTO DE ISOTACAS DE ŠUKLJE En 1957 influenciado visiblemente por la hipótesis B planteada por Taylor & Merchant6, Lujo Šuklje57 desarrolla el concepto de isotacas (líneas en el espacio semilogarítmico esfuerzo-deformación o esfuerzo-relación de vacíos, sobre las cuales se viaja a una velocidad de deformación constante o análogamente a una velocidad de relación de vacíos constante) en el que resaltaba la influencia predominante de la velocidad de deformación (έ) en la relación esfuerzo deformación de los suelos arcillosos. Según sus observaciones basadas en ensayos oedométricos con tasa de deformación controlada (CRS pos sus siglas en inglés), es evidente que al cambiar έ se presentan múltiples líneas en el espacio semilogarítmico e vs. log (σ’/σ’0), tras lo cual concluyo que un cambio significativo en el estado de esfuerzos ocurre como efecto de un cambio significativo en έ. En la Figura 3.6 se puede observar como debido a la viscosidad, un aumento en έ causa un desplazamiento de la línea e vs. log (σ’/σ’0) hacia esfuerzos mas altos o análogamente asentamientos mas bajos y en contraposición una disminución en έ causa un desplazamiento de la misma línea hacia esfuerzos más bajos o análogamente asentamientos más altos.. Figura 3.6. Comportamiento de suelos arcillosos en ensayos CRS, de acuerdo a las isotacas de Šuklje. 52. Barden, L; Consolidation of clay with non-linear viscosity; Géotechnique; Vol. 15; No. 14; 1965; pp 345362. 53 Bjerrum, L; Seventh Rankine Lecture: Engineering geology of Norwegian normally consolidated marine clays as related to the settlement of buildings; Géotechnique; Vol. 17; No. 2; 1967; pp 83-118. 54 Leonards, G; Panel discussion; Proc. 9th. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Tokyo; Vol. 3; 1977; pp 384386. 55 Mesri, G; Godlewski, P; Time and stress compressibility interrelationship; J. Geotech. Engng. Div. Am. Soc. Civ. Engrs.; Vol. 103; No. 5; 1977; pp 417-430. 56 Ladd, C; Fott, R; Ishihara, K; Schlosser, F; Poulos, H; Stress-deformation and strength characteristics; Proc. 9th. Int. Conf. Soil Mech. Fdn. Engng.; Tokyo; Vol. 2; 1977; pp 421-494. 57 Šuklje, L; Op. cit.; 1957. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 32.

(39) De igual manera Šuklje postuló que dicho comportamiento de isotacas se presenta cada vez que un suelo con propiedades mecánicas viscosas es comprimido a una έ=cte., independientemente al numero, magnitud y duración de las descargas anteriormente experimentadas a lo largo de su historia. Adicionalmente de la dependencia del comportamiento mecánico de suelos arcillosos con respecto a έ, en su trabajo Šuklje también menciona los fenómenos de creep y relajación (disipación o reducción de esfuerzos efectivos bajo volumen constante, ∆e=0) como efectos propios de la viscosidad exhibida por dichos suelos. Con respecto a la presencia de cambios escalonados en έ y a fases de creep, dicho autor menciona aspectos importantes que se sintetizan a continuación: -. Al ocurrir cambios escalonados en έ, el suelo adopta etapas de transición para posteriormente readoptar el comportamiento de isotacas bajo la έ actuante en ese momento sobre este (Figura 3.7).. Figura 3.7. Comportamiento del suelo arcilloso ante cambios escalonados en έ según la teoría de isotacas de Šuklje.. -. Ante la posible ocurrencia de una fase de creep intercalado en un ensayo CRS, el comportamiento del suelo en el espacio e vs. log (σ’/σ’0) tiende nuevamente a la isotaca correspondiente a la έ que se le imponga tras la aplicación sostenida de un σ’ dado (Figura 3.8).. OCR, VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y VISCOSIDAD EN ARCILLAS Camilo Quiñones Rozo. 33.