Evaluación del comportamiento “carga-colapso” de suelos residuales derivados de una granodiorita de la cordillera central de Colombia Loading-collapse behavior of residual soils from a granodiorite of Colombia central mountains Yeison Adriano Tinoco Devia Universidad de la Salle, Bogotá – Colombia Jorge Arturo Pineda Jaimes Universidad Nacional de Colombia, Bogotá – Colombia Julio Esteban Colmenares Montañez Universidad Nacional de Colombia, Bogotá – Colombia

Resumen En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en una investigación experimental sobre el comportamiento carga-colapso de suelos residuales del Batolito Antioqueño, procedentes de la Cordillera Central en inmediaciones del municipio de Barbosa (Antioquia). Se realizaron ensayos específicos para la caracterización del material desde el punto de vista composicional y geotécnico. En condiciones edométricas, se realizaron ensayos de carga-colapso con el fin de determinar la disminución de volumen de los suelos estudiados cuando son sometidos a procesos de humedecimiento. Se encontró que para niveles de esfuerzo vertical inferiores a 150 kPa, algunos de los materiales estudiados exhiben cambios drásticos de volumen con disminuciones en la succión matricial. Los resultados constituyen una aproximación al entendimiento de la fenomenología de hundimientos de edificaciones livianas y la ocurrencia de deslizamientos superficiales después de lluvias intensas en estos materiales.

Abstract In this paper the experimental results of loading-collapse behavior of residual soils from Antioqua´s Batholit are shown. There were made some specific tests for geotechnical and compositional characterization of the studied materials. In oedometric conditions, loading-collapse tests were made for wetting process to determine the irreversible volume changes in this proccess. It was found that for vertical stresses of about 150kPa, some materials showed drastic volume changes for decreasing matric suction. The results are an approximation to the understanding of some phenomena of foundation settlements and surficial flows after rainfall.

1 INTRODUCCIÓN Los suelos residuales son materiales derivados

de la meteorización de rocas parentales de diferentes orígenes que no han sufrido procesos de transporte. Estos materiales son muy comunes en nuestro medio dadas las características climáticas de nuestro país. Los suelos residuales son medios particulados parcialmente saturados debido a su proceso de formación y a los cambios estacionales de humedad ocasionados por los regímenes de lluvia variables (Pineda-Jaimes, 2007). Sobre estos materiales se localizan obras de infraestructura de diferente tipo que contribuyen al desarrollo socioeconómico de las regiones de nuestro país.

La aplicación de esfuerzos de compresión causados por solicitaciones comunes como las cargas de servicio de fundaciones o las originadas por estructuras de pavimento sobre suelos

residuales parcialmente saturados, puede eventualmente inducir condiciones de frontera particulares que en procesos de humedecimiento causados por agentes ambientales originen deformaciones volumétricas irrecuperables denominadas colapso. Estas deformaciones pueden afectar dramáticamente el desempeño y funcionalidad de las obras durante su vida útil, motivo por el cual se hace necesario establecer el comportamiento de estos materiales en estas condiciones.

Adicionalmente, los suelos residuales que poseen diferentes características texturales y composicionales debido a los procesos de meteorización asociados a su formación, pueden presentar diferentes potenciales de colapso para esfuerzos de compresión similares.

En este trabajo se analiza el potencial de colapso en condiciones edométricas y procesos de humedecimiento de dos (2) suelos residuales típicos provenientes de un perfil de meteorización

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del batolito antioqueño. Los resultados constituyen una aproximación al entendimiento de este fenómeno en relación con la fábrica de los materiales y el estado de esfuerzos impuesto.

2 MATERIALES ESTUDIADOS

Como se mencionó anteriormente, se estudiaron suelos residuales con diferentes grados de meteorización provenientes del Batolito Antioqueño. A continuación se presentan las principales características de estos materiales.

2.1 Perfil de Meteorización El batolito antioqueño es una formación de roca

intrusiva, ubicada en la parte axial de la cordillera central colombiana ocupando aproximadamente 7.800 km2 sin incluir cuerpos satélites que se encuentran separados del cuerpo principal por rocas metamórficas y ocupan 322 km2 (González & Londoño, 2002). La roca ígnea constitutiva de esta formación es una granodiorita de textura fanerítica, que está compuesta por feldespato potásico, ortoclasa, cuarzo, clorita y hornblenda como mineral ferromagnesiano.

En cercanías al municipio de Barbosa (Nororiente Antioqueño) se localizó un perfil de meteorización de esta formación cuyos horizontes superiores, catalogados con grados de meteorización V y VI de acuerdo con el sistema de clasificación propuesto por la Geological Society of London (1997) (ver figura 1) corresponde a suelos residuales. El horizonte de grado VI posee un espesor aproximado de 3m y el horizonte de grado V un espesor aproximado de 8m. De estos horizontes se extrajeron muestras inalteradas en bloques que fueron trasportadas cuidadosamente al laboratorio.

Figura 1 Perfil de Meteorización del Batolito Antioqueño.

2.2 Caracterización Geotécnica de los Suelos Residuales

El material correspondiente al grado de meteorización VI fue extraído a 1.6m de

profundidad dentro del perfil de meteorización, y en este artículo se denominará suelo residual. Por su parte, el material cuyo grado de meteorización es V, fue extraído a 5.1m y se denominará suelo saprolítico ó saprolito.

El suelo residual corresponde a un limo arenoso de tonalidad rojiza (ML) y el suelo saprolítico a una arena limosa con tonalidades marrones (SM). En general, la plasticidad de la fracción fina de los suelos se ubica bajo la línea A de la carta de plasticidad de Casagrande. El contenido de finos aumenta apreciablemente en el suelo residual en relación con el material saprolítico y la gravedad específica del suelo Saprolito arrojo valores más altos. La humedad para el suelo saprolito obtuvo valores entre el 24% y 35%, mientras que el suelo residual presentó valores inferiores y variables entre el 18% y 23%.

En la tabla 1 (Tinoco, 2009), se presenta un

resumen de los resultados de caracterización.

Tabla 1 Resumen ensayos de caracterización Propiedad Suelo Residual Saprolito

WL (%) 49,7-54,01 35,0-38,9 WP (%) 35,0-41,8 30,3-37,6

Gs 2,67 2,72 % Arenas 26,5-34,8 62,2-65,5 % Finos 65,2-73,5 37,8-64,5 Wn (%) 18,3-23,52 24,97-35,34

γd (kN/m3) 1,39-1,88 1,55-1,60

2.3 Caracterización Composicional La caracterización composicional de los

materiales se realizó a partir de ensayos de difractometría de rayos x empleando la técnica sugerida por Thoréz (2003). Los resultados de estos ensayos permitieron determinar la composición mineralógica relativa de los suelos (Tabla 2, Pineda y Colmenares, 2008).

Tabla 2 Composición mineralógica

Mineral Suelo Residual Saprolito

Caolinita (%)* 43 69 Cuarzo (%)* 17 12

Goethita (%)* 18 8 Metahaloysita (%)* 16 6

Gibbsita (%)* - 5 Mica (%)* - 6

Composición mineralógica relativa promedio de los materiales estudiados. (*) El porcentaje fue estimado a partir de la intensidad de los picos del difractograma de rayos x (Pineda y Colmenares, 2008)

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Adicionalmente, la composición química de los suelos objeto de estudio se determinó mediante la ejecución de ensayos de fluorescencia de rayos x. En la tabla 3, se presenta un recuento del contenido de elementos mayores de los materiales, en forma de óxidos (Pineda y Colmenares, 2008).

Tabla 3 Contenido de elementos mayores

Elemento Suelo Residual Saprolito

AL2O 35,5%-36,3% 3 28,5%-30,9% SIOCaO

2 38,9%-39,9% 2,3%-2,5%

50,7%-53,2% 0,14%-0,17%

Fe2O 10,9%-11,8% 3 11,8%-12,8% K2MgO

O

MnO Na2P

O 2O

TiO2 5

2,4%-2,6% 1,5%-1,4% 1,3%-1,5% 1,3%-1,5%

0,08%-0,09% 1,0%-1,2%

1,4%-1,65% 1,2%-1,59% 0,15%-0,19% 0,05%-0,08% 0,02%-0,05% 0,06%-0,07%

Variación relativa de los elementos mayores de los materiales estudiados (Pineda y Colmenares, 2008).

En el suelo residual se presenta una cantidad

apreciable del mineral goethita, el cual se origina a partir de la descomposición de los minerales ferromagnesianos de la roca parental. Al igual que la goethita, la metahaloysita es un mineral arcilloso secundario que se presenta en estados avanzados de meteorización (Krauskopf y Bird, 1995). Las concentraciones de óxido de aluminio (Al2O3) es predominante sobre otros elementos, y se destaca también la presencia de óxidos de hierro (Fe2O3) en el suelo residual, en concordancia con los minerales secundarios mencionados. A pesar de tener concentraciones apreciables de óxidos, el material no se considera laterítico de acuerdo con la clasificación expedita y los umbrales propuestos por Nogami y Villibor (1984).

Por su parte el suelo saprolítico presenta cantidades superiores de caolinita en relación con el suelo residual, y cantidades inferiores de los minerales goethita y metahaloysita. Estas tendencias indican estados de meteorización intermedios en los cuales los minerales primarios de la roca parental no se han desintegrado en su totalidad, motivo por el cual las concentraciones de los minerales secundarios son inferiores. Las tendencias son congruentes con las presentadas por Vaughan (1985) en perfiles de meteorización de granito y dioritas.

2.4 Estudios de Fábrica En la figura 2 se presenta una microfotografía

(aumentada 600 veces que muestra la disposición

de arreglos elementales en la matriz, correspondiente a una muestra típica de suelo residual en estado natural. Se pueden observar algunas partículas, principalmente de cuarzo, embebidas en una matriz relativamente masiva de limo arcilloso (de acuerdo a los resultados de la clasificación índice). De acuerdo a la metodología cualitativa propuesta por Collins y McGown (1974), los poros intra-ensamble no presentan una forma definida y su volumen es relativamente pequeño (cualitativamente) en relación con el de las partículas minerales.

Figura 2 Arreglos elementales de partículas, imagen magnificada 600 veces (100µm).

Figura 3 Arreglos elementales de partículas, imagen magnificada 2000 veces (20µm).

En la figura 3, se muestra una microfotografía de la matriz de una muestra del suelo Saprolítico estudiado. De acuerdo con las características

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cualitativas propuestas por Collins y McGown (1974), los poros alargados sugieren planos preferenciales por los cuales se desarrollaron alguna vez los procesos de meteorización física, facilitando la descomposición química de los minerales primarios de la roca parental. Los poros del material Saprolítico son cualitativamente más grandes que los presentados en el suelo residual, aunque las fotografías no presentan la misma escala. Se puede apreciar claramente la morfología de partículas de caolinita, relativamente bien cristalizadas, rodeadas por partículas amorfas, de menor tamaño correspondientes a una primera etapa de formación de los óxidos de hierro presentes en el suelo residual (Krauskopf y Bird, 1995).

Con el fin de presentar una aproximación cuantitativa en cuanto al tamaño de los poros del suelo, en la Figura 4 se presenta la distribución del tamaño de poros de los dos materiales en estudio a partir de ensayos de porosimetría de intrusión de mercurio y curvas de retención de humedad determinadas en procesos de secado en laboratorio empleando el método del papel de filtro (Barrera-Orduz, 2010).

Figura 4 Distribución de tamaños de poros en suelos residuales y saprolitos provenientes del batolito antioqueño (Barrera-Ordúz, 2010)

De manera congruente con las observaciones

del microscopio, el saprolito posee poros más grandes que el suelo residual (entre 1 y 2 micras en el primer material y entre 0.01 y 0.03 micras en el segundo material, respectivamente). Esto quiere decir que los suelos menos meteorizados como es el caso del saprolito, además de ser más porosos, tienen poros más grandes, mientras que en los suelos más meteorizados, por presentar tamaños de partículas más pequeños, estas se reacomodan generando una fábrica diferente más compacta, caracterizada con una porosidad y tamaño de poros menores (Barrera-Ordúz, 2010). Los tamaños de los poros influyen marcadamente en las tendencias de colapso de los suelos estudiados, toda vez que la magnitud de las fuerzas capilares

presentes se hacen mayores a medida que el tamaño promedio de los poros disminuye.

3 ENSAYOS CARGA-COLAPSO

El ensayo Carga-Colapso se realiza a partir del ensayo de consolidación unidimensional con el fin de determinar la disminución de volumen de los suelos estudiados cuando son sometidos a procesos de humedecimiento. Una vez se ha cargado el material en condiciones edométricas con un esfuerzo particular, se procede al humedecimiento de la muestra y al monitoreo de las deformaciones instantáneas causadas por este proceso. Posterior a la eventual ocurrencia del colapso, se continúan tomando datos de deformación vertical en función del tiempo incluyendo la etapa de descarga.

Se realizaron ocho (8) ensayos de carga colapso, tres (3) para el suelo residual y tres (3) para el suelo saprolítico. Cada uno de los suelos ensayados fueron sometidos a humedecimiento en esfuerzos verticales de 61Kpa, 122Kpa, 213Kpa y 427 kPa.

A partir de la norma I.N.V. E – 157 – 07, se calculó el índice de colapso empleando la ecuación (1): Ic = (df-di)/Ho*100 (1)

A continuación se presenta el análisis de los

datos y tendencias obtenidas.

4 RESULTADOS

Figura 5 Suelo Residual. Valores de deformación con inundación en 61 Kpa

En la figura 5 se observa la deformación

acumulada en función del tiempo para el suelo residual y los diferentes esfuerzos verticales impuestos. Se observa que para el esfuerzo más

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bajo (61kPa) una vez el material es humedecido, la deformación compresiva aumenta súbitamente pasando de 0,55mm a 1,28mm en un período menor a 60 segundos mostrando colapso. Una tendencia similar, aunque no tan marcada se aprecia en la curva correspondiente a un esfuerzo de 122kPa. Los comportamientos colapsibles son nulos para esfuerzos verticales superiores a este valor.

En la figura 6, se observan las tendencias de la deformación en función del tiempo para el suelo saprolítico. A diferencia del suelo residual y para los mismos esfuerzos aplicados, cuando se humedece el material la deformación de colapso en prácticamente nula, salvo una leve insinuación del fenómeno en la curva correspondiente a 61kPa. Asociado a este hecho, Barrera-Ordúz (2010) pone de manifiesto que la presión de agua negativa conocida como succión matricial (Ua-Uw) de los materiales en estado parcialmente saturado es mayor en el Suelo Residual (200KPa en promedio, determinada por el método del papel de filtro) que aquella encontrada en el Suelo Saprolítico (50KPa en promedio). Por lo anterior, la tensión superficial en el menisco de la interfase aire-agua en los poros de los materiales estudiados es mucho mayor en el suelo residual. Esta diferencia de succión, hace que este material sea potencialmente más colapsable que el suelo saprolítico al momento de producirse el proceso de humedecimiento. En otras palabras, la succión inicial determina la magnitud del colapso de los materiales.

También se puede observar en la figura 6, que el suelo Saprolítico no presenta tendencias colapsibles con esfuerzos verticales mayores a 61kPa.

Figura 6 Suelo Saprolítico. Valores de deformación con inundación en 61 Kpa

En la figura 7 se presentan las curvas carga-colapso en términos de la relación de vacíos para el suelo residual y los tres primeros esfuerzos compresivos. Se observa que para esfuerzos verticales inferiores a 150Kpa, la relación de vacíos cae súbitamente cuando la muestra es humedecida aunque la tendencia es más notoria para el menor esfuerzo aplicado. Las pendientes de las curvas de compresión posteriores al colapso son similares y las relaciones de vacíos finales oscilan entre 0.75 y 0.80.

Por su parte, el suelo saprolítico no presenta evidencias claras de disminución súbita de la relación de vacíos luego del humedecimiento. En la figura 8, se presentan los cambios en la relación de vacíos para este material. Los resultados hallados en términos de umbrales de esfuerzos que generan colapso coinciden con los reportados por otros autores en suelos residuales con características texturales similares (Espinosa et.al, 2008).

Figura 7 Curvas Carga-Colapso suelo residual.

Figura 8 Curvas Carga-Colapso suelo saprolítico.

En la figura 9 se presenta la variación del índice de colapso (Ic) en función del esfuerzo vertical aplicado. El suelo residual presenta un índice de

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colapso hasta 3 veces mayor al exhibido en el suelo saprolítico para un esfuerzo vertical de 61 kPa. Para 122 kPa, el índice de colapso es aún mayor en el suelo residual y esta tendencia desaparece para 213 kPa, de manera congruente a lo descrito anteriormente.

Contrario a lo postulado por autores como Jenning y Knight (1975), aunque el suelo saprolítico posee poros de mayor tamaño y una fábrica presumiblemente más abierta que el suelo residual, su potencial de colapso es menor considerando la succión inicial presente y la naturaleza de los contactos entre partículas del esqueleto mineral. Es así como los sesquióxidos presentes en el suelo residual generan presumiblemente contactos cementados en el esqueleto, cuya interacción con las fuerzas capilares presentes antes del humedecimiento generan una rigidez aparente que es destruida en su gran mayoría con la inclusión de agua. La rotura de los contactos “rígidos” se traduce en deformaciones por colapso. La estructura del suelo residual puede catalogarse en este caso como “matriz-soportada” considerando el contenido de finos y por tanto, la magnitud del colapso es mayor. Interpretaciones similares para materiales parecidos al suelo residual estudiado son presentadas por Barrera (2004).

En el saprolito, la proporción de partículas minerales del tamaño arena es considerablemente mayor y el contacto aunque es acompañado de la presencia de minerales arcillosos como la caolinita, no genera contactos rígidos iguales a los del suelo residual, considerando el tamaño de poros y las fuerzas capilares que son considerablemente menores. Cuando se aplican esfuerzos compresivos en el saprolito, la fábrica que puede considerarse eventualmente “clasto-soportada” se reacomoda de tal manera que la destrucción de la tensión superficial no genera cambios volumétricos apreciables en humedecimiento. Al contrario, las deformaciones compresivas mostradas en las curvas carga-colapso de la figura 8 se originan por reacomodamiento de partículas.

En este sentido, algunos autores como Fredlund y Rahardjo (1993), postulan que la naturaleza del reacomodamiento de la fábrica luego de la aplicación de esfuerzos compresivos condiciona la magnitud de las fuerzas capilares y por consiguiente tamaño promedio de los poros. De allí que la magnitud del colapso dependa de la succión inicial y de la estructura de los materiales.

Figura 9 Índice de Colapso vs carga vertical

5 CONCLUSIONES

A partir de los estudios de fábrica se pudo verificar que los tamaños de los poros de los suelos Saprolíticos, son mayores que los tamaños de los suelos residuales, en consecuencia, la succión matricial se verá más afectada en el suelo residual al momento en que el material entra en contacto con el agua.

El colapso identificado en los suelos objeto de estudio, es más severo en los suelos residuales, esta pérdida de volumen es la consecuencia asociada a una alteración rápida de la resistencia y a un derrumbamiento estructural interno al momento en que el suelo absorbe cantidades importantes de agua

Cuando el suelo residual entra en contacto con el agua, la relación de vacíos cae súbitamente para los esfuerzos compresivos más bajos; en cambio, la relación de vacíos del Suelo Saprolítico no experimenta grandes diferencias.

Las deformaciones experimentadas en el suelo residual en procesos de humedecimiento explican cualitativamente los hundimientos causados en edificaciones livianas luego de lluvias intensas construidas sobre estos suelos en la región en donde se realizó el muestreo y explica, en parte, las causas por las cuales se producen deslizamientos superficiales en estos materiales luego de la ocurrencia de lluvias intensas de corta duración.

6 AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo brindado por los funcionarios académicos y del laboratorio de geotecnia de la Universidad de La Salle en Bogotá, así como las apreciaciones acerca del contenido del artículo formuladas por el Dr. Mauricio Barrera del Instituto Mexicano del Transporte.

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