La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad...

14
315 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA La meteorización y los mecanismos de inestabilización de taludes naturales en suelos residuales metamórficos Valencia, Y.G. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, e-mail: [email protected] Márquez, M. A. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, e:mail: [email protected] Carvalho, J. C. Universidad de Brasília, DF, Brasil, e-mail: [email protected] Villarraga, M.R. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, e-mail: [email protected] Resumen: Las regiones de clima tropical proporcionan condiciones óptimas para los procesos de meteorización físico-química. La acción diferenciada de esta meteorización y la gran diversidad de rocas, generan una amplia cantidad de perfiles, que asociados a los aspectos mineralógicos, entre otros factores, hacen que las propiedades de los suelos en estas regiones presenten una enorme variedad. En la gran mayoría de las investigaciones sobre los suelos residuales se resalta la importancia de factores que intervienen en la meteorización como la mineralogía, cambios en el pH y la capacidad de intercambio catiónico; sin embargo, no es común encontrar un análisis de la incidencia real de dichos factores al sufrir el proceso de meteorización, en las propiedades mecánicas y en los mecanismos de inestabilidad de taludes naturales y de corte. Es por ello, que este artículo muestra el efecto de la meteorización, en la mineralogía, microestructura, propiedades mecánicas y estabilidad de dos perfiles de suelo residual originados de rocas metamórficas de la ciudad de Medellín (Colombia), lo cual es de vital importancia porque permite prever el comportamiento de estos suelos, dar luces acerca de los mecanismos que gobiernan la inestabilidad de taludes en regiones tropicales y como herramienta de trabajo en el análisis y diseño geotécnico. Abstract: The tropical climate regions provide optimal conditions for the physical-chemistry weathering processes. The differentiated action of this weathering and the great rock diversity, produce an ample amount of profiles that associated to the mineralogists aspects, among other factors, do that the properties of soils in these regions present an enormous variety. In many researches concerning to residuals soils jut out the importance of factors that take part in the weathering like mineralogy, changes in pH and the capacity of cationic exchange; nevertheless, is

Transcript of La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad...

Page 1: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

315IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

La meteorización y los mecanismos de inestabilizaciónde taludes naturales en suelos residuales metamórficos

Valencia, Y.G.Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, e-mail: [email protected]

Márquez, M. A.Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, e:mail: [email protected]

Carvalho, J. C.Universidad de Brasília, DF, Brasil, e-mail: [email protected]

Villarraga, M.R.Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, e-mail: [email protected]

Resumen: Las regiones de clima tropical proporcionan condiciones óptimas para los procesos demeteorización físico-química. La acción diferenciada de esta meteorización y la gran diversidad derocas, generan una amplia cantidad de perfiles, que asociados a los aspectos mineralógicos, entreotros factores, hacen que las propiedades de los suelos en estas regiones presenten una enormevariedad. En la gran mayoría de las investigaciones sobre los suelos residuales se resalta laimportancia de factores que intervienen en la meteorización como la mineralogía, cambios en el pHy la capacidad de intercambio catiónico; sin embargo, no es común encontrar un análisis de laincidencia real de dichos factores al sufrir el proceso de meteorización, en las propiedades mecánicasy en los mecanismos de inestabilidad de taludes naturales y de corte. Es por ello, que este artículomuestra el efecto de la meteorización, en la mineralogía, microestructura, propiedades mecánicas yestabilidad de dos perfiles de suelo residual originados de rocas metamórficas de la ciudad deMedellín (Colombia), lo cual es de vital importancia porque permite prever el comportamiento deestos suelos, dar luces acerca de los mecanismos que gobiernan la inestabilidad de taludes enregiones tropicales y como herramienta de trabajo en el análisis y diseño geotécnico.

Abstract: The tropical climate regions provide optimal conditions for the physical-chemistryweathering processes. The differentiated action of this weathering and the great rock diversity,produce an ample amount of profiles that associated to the mineralogists aspects, among otherfactors, do that the properties of soils in these regions present an enormous variety. In manyresearches concerning to residuals soils jut out the importance of factors that take part in theweathering like mineralogy, changes in pH and the capacity of cationic exchange; nevertheless, is

Page 2: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

316 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

not common to find an analysis of the real incidence of these factors when suffering the weatheringprocess, in the mechanical properties and in the mechanisms of stability of natural slopes and cut.It is for that reason, which this paper shows the effect of the weathering, in mineralogy,microstructure, properties and stability of two profiles of residual soils originated of metamorphicrocks of the city of Medellín (Colombia), which is of vital importance because it allows to anticipatethe behavior of these soils, giving lights about the mechanisms that govern the instability ofslopes in tropical regions and as tool of work in the analysis and geotechnical design.

1 INTRODUCCIÓN

Los suelos tropicales son suelos que presentancaracterísticas geotécnicas especiales, lascuales son influenciadas por el grado demeteorización, su génesis, su estructura y suspropiedades químicas y mineralógicas entreotras, que han dificultado la definición de siste-mas de clasificación y de técnicas y métodosde ensayos apropiados para abordar los pro-blemas regionales. La amplia diversidad de am-bientes de meteorización y de perfiles resultan-tes, presupone que la variación de laspropiedades índice y las características deresistencia y compresibilidad de los suelosresiduales también lo sean.

En Colombia, son pocos los trabajos en elárea de geotecnia de suelos tropicales, que seencargan de estudiar las relaciones existentesentre la meteorización, las propiedades físicas,químicas, mineralógicas y el comportamientomecánico de los suelos residuales. Es por ello,que el análisis y cuantificación de la influenciade la meteorización en estas propiedades, es degran importancia, ya que permite prever elcomportamiento futuro de estos suelos y suinfluencia en la estabilidad de taludes.

2 ZONA DE ESTUDIO

La zona de estudio se encuentra ubicada en laciudad de Medellín, capital del departamentode Antioquia, al noroccidente colombiano, enel sector norte de la cordillera central, a una

altura promedio de 1500 m.s.n.m., temperaturapromedio de 24°C y 1800 mm de lluvia promediaanual (Corrales y Leoz, 1996). Medellín, se loca-lizada sobre un angosto valle denominado Vallede Aburrá, donde predominan rocasmetamórficas e ígneas. Entre los suelosresiduales originados de las rocas metamórficasse tienen el neis de la Iguaná y las anfibolitasde Medellín, utilizados para el desarrollo de estainvestigación.

El neis de la Iguaná, es una formación quese localiza en la parte baja de la cuenca de laQuebrada la Iguaná y se extiende desde el barrioOlaya Herrera hasta el cerro El Volador. Losprincipales componentes del neis de la Iguanáson: plagioclasa, feldespato potásico y cuarzo,acompañados de epidota, hornblenda y biotita(Corrales y Leoz, 1996). La meteorización queactúa sobre este cuerpo metamórfico desarrollasuelos residuales limosos y arcillosos de colo-res claros y un saprolito moteado entre blancoy gris, de espesores generalmente mayores a 20m (Rendón, 1999). Para el estudio de este suelose seleccionó un perfil ubicado en la coordena-da 6° 16´ 23´´ de latitud Norte y 75° 35´ 33´´ delongitud W (Medellín) y una altura de 1470m.s.n.m, en la empresa Indural S.A. Para lasanfibolitas de Medellín, se seleccionó un perfilque se localiza en el cerro El Volador sobre lasanfibolitas de la margen izquierda del río Mede-llín (Rendón, 1999), constituidas esencialmentepor hornblenda y plagioclasa, con una texturanéisica a esquistosa que desarrolla espesoresde suelo residual superiores a los 20 m, que van

Page 3: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

317IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

desde un limo arcilloso blando, de color pardorojizo a amarillo, pasando a un saprolito limo are-noso, de color gris verdoso, con bandas blancasque presentan estructuras heredadas de la rocaparental (Corrales y Leoz, 1996). Este perfil seubica en la coordenada 6° 16´ 21´´ de latitud Nor-te y 75° 35´ 06´´ de longitud W (Medellín) y altu-ra máxima de 1630 m.s.n.m. Figura 1.

3 TOMA DE MUESTRAS

Para los dos perfiles seleccionados se realizóuna caracterización física, química,mineralógica, microestructural y mecánica, to-

mando muestras de la roca parental y de tresniveles diferentes del perfil de meteorización.Cabe resaltar que los puntos de muestreo noestán en un mismo perfil vertical y por tanto lascotas no reflejan exactamente el espesor delestrato de meteorización. El criterio de selecciónde cada uno de los niveles se basó en laobservación de cambios de textura, color ycomportamiento plástico (por prueba manual)entre ellos; adicionalmente, se tuvo en cuentala posición en altura (vertical) de cada nivel,con el nivel 1 correspondiente al nivel más su-perficial, seguido por el nivel 2 y, suprayacentea la roca, el nivel 3 (Fotografia 1 y 2).

Figura 1: Mapa localización perfiles de estudio

Page 4: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

318 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

4 CARACTERIZACIÓN FÍSICA

Los ensayos de caracterización física de ambosperfiles comprendieron: ensayos dedeterminación de humedad natural (NormaASTM D2216-92), gravedad específica (NormaASTM D854-92), límites de Atterberg (límite lí-quido (w

L) y límite plástico (w

P), Norma ASTM

D4218) y análisis granulométrico utilizando elgranulómetro láser del laboratorio de Geotecniade la universidad de Brasilia (UnB), este ensayose ejecutó con y sin ultrasonido y con y sindefloculante (hexafosfato de sodio). Para laclasificación de los suelos se empleó laclasificación propuesta por Brand (Tomada deGeotechnical Control Office, 1988), laClasificación Unificada y la MCT rápidapresentada por Nogami y Villibor (1995).

4.1 Gravedad específica (Gs)

Analizando la gravedad específica en un mismoperfil, esta no presenta grandes variacionesen profundidad (2.63 a 2.66 para el neis de laIguaná y de 2.79 a 2.88 para las anfibolitas deMedellín), pero al comparar una formación conotra se encuentran valores de gravedad dife-rentes, lo cual evidencia composicionesmineralógicas distintas, dado que predominanlos cuarzos en el neis y los anfíboles en laanfibolita.

4.2 Límites de consistencia, humedad naturaly relación de vacíos

Las Figuras 2a, 2b, 2c y 2d, muestran la variacióndel límite líquido (w

l), límite plástico (w

p),

humedad natural (wn) y relación de vacíos ini-

cial (e0) en función de la profundidad. Donde se

observa una tendencia similar para los dos per-files metamórficos, en los cuales a medida queaumenta la profundidad, disminuyen los índi-ces de consistencia, mostrando coherencia conel comportamiento de la humedad, la cualdisminuye con la profundidad. Las variacionesdel índice de vacíos, muestran también que hubouna pérdida de masa en los niveles mássuperficiales debido al proceso de lixiviación.Las reducciones de plasticidad e índice devacíos, están reflejando una reducción en lameteorización con el aumento de profundidaden el perfil.

Los valores de relación de vacíos inicial (eo)

y relación de vacíos en el límite líquido (el) cal-

culada como (Fookes, 2004);se presentan en la Figura 3, la cual muestra quesuelos con relaciones por encima de la línea e

o =

el, tienen tendencia a fluir después de la falla, la

cual ocurre como consecuencia de la saturaciónal presentarse intensos períodos de

Fotografia 1: Perfil neis de la Iguaná (Empresa Indural)

Fotografia 2: Perfil anfibolitas de Medellín (cerro ElVolador).

Page 5: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

319IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

precipitación. En este caso, el perfil originadode las anfibolitas de Medellín es el sitio máscrítico, por tener dos de sus niveles sobre lareferida línea, para el cual se recomienda,estudiar más a fondo la variación delcomportamiento mecánico con la succión y re-alizar un monitoreo climático y de humedad.Igualmente, es bueno tener cuidado con elcomportamiento para el nivel 2 del perfil origi-nado del neis de la Iguaná, debido a que este seencuentra sobre la línea. En superficie la relacióne

o/e

l tiende a disminuir reflejando la influencia

de dos factores: la retracción que el suelo sufreen los niveles superficiales y/o la retención definos lixiviables debido al fenómeno deagregación, generado por la materia orgánica opor la meteorización.

Figura 2: a) Variación de wl, b) Variación de w

P, c) Variación de e

0, d) Variación w

n con la profundidad

4.3 Granulometría a partir del granulómetroláser

Los análisis granulométricos realizados en elgranulómetro láser con muestras defloculadas

Figura 3: Relación entre eo y e

l

Page 6: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

320 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

mostraron que hacia la superficie se tiene mayorcantidad de partículas finas y en mayorproporción tamaño limo, con el nivel más pro-fundo (nivel 3) más arenoso. Se verifico,también, diferencias entre las curvasgranulométricas con y sin agente defloculador,que reflejan la existencia de agregaciones. Cabedestacar, que estas agregaciones pueden serinestables en presencia de aguas residuales,caracterizando otro tipo de riesgo.

4.4 Clasificación de los suelos

La Tabla 1 muestra la clasificación de los dosperfiles de origen metamórfico utilizando laclasificación de Brand, la ClasificaciónUnificada (U.S.C) y la clasificación MCT rápi-da. Según la metodología propuesta por Brand,todos los niveles en ambos perfiles se clasificancomo RS – Suelo Residual, debido a que todo elmaterial rocoso se transformó en suelo, con latextura y fábrica del material completamentedestruidos. De acuerdo con la ClasificaciónUnificada, todos los niveles se clasifican comolimos, ya sea de alta plasticidad (MH) o de bajaplasticidad (ML), siendo los niveles superioreslos más plásticos. Por el método MCT, los nive-les fueron clasificados como NG’ (Saprolíticoarcilloso), NS’ (Saprolíto limo-arenoso) y/o NA’(arena-limosa), donde es de resaltar entoncesque los perfiles son “No Lateríticos”, o sea, sonsuelos que presentan intemperización, pero nomuy profunda.

Tabla 1 - Clasificación de los perfiles

5 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA

En la Tabla 2 se muestran algunos de los resul-tados de los análisis químicos de cada uno delos niveles de los perfiles metamórficos, de don-de se puede inferir que, para el perfil originadodel neis de la Iguaná, la Capacidad deIntercambio Catíonico (C.I.C.) está reflejandopoca presencia de minerales de arcillas en elsuelo o que estos tienen una baja C.I.C, comolo es el caso de la caolinita. Para el perfil origi-nado de las anfibolitas de Medellín, la C.I.C. aligual que la Saturación de bases (%B) presentanvalores mayores en el nivel 2 y 3, debido a queen estos dos niveles los contenidos de calcio(Ca) y magnesio (Mg) son altos. Adicionalmen-te, a medida que se disminuye en laprofundidad, el porcentaje de bases disminuye(%B) y los suelos se tornan más ácidos poraumento en la Saturación de Aluminio (%Al), loque ocurre por un incremento en lameteorización (Cardoso et al., 2003).

El pH en água del perfil originado del neisde la Iguaná está entre 5.4 y 6.7 y en KCl seencuentra entre 3.8 y 5.2. Para el perfil origina-do de las anfibolitas de Medellín el pH en aguaestá entre 5.5 y 6.9 y en KCl entre 4.1 y 4.5. Enambos perfiles los suelos van desde ácidos aprácticamente neutros. La tendencia generalen los perfiles es que el pH aumenta con laprofundidad, indicando el avance enmeteorización hacia la superficie. Los valoresnegativos de ∆pH (∆pH=pH

KCl - pHa

gua),

significan que la cantidad de aluminiointercambiable es elevada y que predominanlas arcillas silicatadas, decreciendo los óxidose hidróxidos de hierro y aluminio, reflejandoasí una disminución en el nivel demeteorización a mayor profundidad; tal comose observa para el perfil originado de lasanfibolitas de Medellín, donde el ∆pH se hacemenor con el incremento en la profundidad(Lima, 2003).

Page 7: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

321IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

Tabla 2 - Análisis químico - neis de la Iguaná yanfibolitas de Medellín

6 CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA

Esta caracterización se ejecutó por medio deanálisis de difracción de rayos-X y pormicroscopia electrónica de barrido.

6.1 Difracción de rayos-X

Este ensayo, fue realizado en un difractómetroRIKAGU, modelo “Geiger Fix” D-Max-B,perteneciente al laboratorio de Difractometría derayos-X del Instituto de Geociencias de laUniversidad de Brasilia (UnB), cada 2θ en modocontinuo y con una velocidad de 2°/min. Losdifractogramas obtenidos se muestran en la Fi-gura 4 y Figura 5.

Para el perfil originado del neis de la Iguaná,se tiene que en los niveles superficiales, lasplagioclasas (albita) y los feldespatos (microcli-na) desaparecen, la moscovita y el cuarzo nopresentan una tendencia particular, la caolita y lailita aumentan a medida que se disminuye enprofundidad, lo cual indica una descomposiciónde la microclina y la albita con generación decaolinita, evidenciando un proceso demeteorización en el perfil hacia la superficie. Losminerales de este perfil son bastante estables enpresencia del agua.

Figura 4: Difractograma perfil originado del neis de la Iguaná

Page 8: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

322 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

En el perfil originado de las anfibolitas deMedellín, se observa que en los horizontes mássuperficiales aumenta la cantidad de caolinita yse tiene una tendencia a decrecer la plagioclasa(anortita) y la actinolita, evidenciándose queexiste un proceso de meteorización. En esteperfil se tiene un evento particular, la presenciade montmorillonita en el nivel 3, que aumentaen el nivel 2 y desaparece en el nivel 1, esto sepuede estar manifestando por la perdida desodio (Na) y calcio (Ca), que se transformó encaolinita o que el sodio (Na) y el calcio (Ca)fueron transportados por drenaje a otros nive-les por el proceso de meteorización. La presen-cia de anfibolitas y montmorillonitas tornan esteperfil más sensible en presencia de agua, la cualpuede generar fenómenos de retracción yexpansión.

En la Figura 6 se observa la relación existen-te entre las proporciones relativas de caolinitaencontrada en cada nivel, con la cohesión (c)por cizallamiento directo. Estos resultados

muestran que, para el perfil originado de lasanfibolitas de Medellín, la cohesión y por endela estabilidad de los taludes, disminuyó con elaumento de las proporciones relativas decaolinita y la meteorización. La propiameteorización por tanto, podrá conducir a rup-turas de taludes; pudiendo ser la caolinita unelemento de estimativo de riesgo importantepara esta formación.

Figura 6: Relación entre proporción relativa de cuarzoy cohesión - para los perfiles metamórficos

Figura 5: Difractograma perfil originado de las anfibolitas de Medellín

Page 9: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

323IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

6.2 Microscopía electrónica de barrido“Scannig Electrón Microscope” (SEM)

La microscopía electrónica de barrido fue reali-zada sobre trozos de material inalterado, en laEmpresa FURNAS TECNOLOGÍA de Brasil(Silverio, 2004). En las Figura 7 a 12, se muestranen igual número de aumentos la imagen de cadauno de los niveles de los perfiles en estudio,para analizar los cambios de estructura. Del perfilcorrespondiente al neis de la Iguaná, se puedeapreciar, en términos de porosidad ydistribución de poros, que para el nivel 1 sepresentan poros grandes y a medida que seaumenta en profundidad la estructura se va tor-nando más homogénea. Para el perfil originadode las anfibolitas de Medellín, el nivel 1 muestramuchas agregaciones y vacíos, por ello su altarelación de vacíos. El nivel 2, presenta un arreglomás laminar y de líneas definidas. Para el nivel3, la relación de vacíos es menor, hecho que seobserva en los pocos vacíos que deja elempaquetado de los minerales.

Figura 7: Imagen SEM – nivel 1 neis de la Iguaná

7 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA

La caracterización mecánica de los niveles de cadaperfil metamórfico, se desarrolló ejecutandoensayos de cizallamiento directo (Norma ASTMD3080-90), tracción diametral y determinación decurvas características (Norma ASTM D5298-92).

Figura 8: Imagen SEM – nivel 2 neis de la Iguaná

Figura 9: Imagen SEM – nivel 2 neis de la Iguaná

Figura 10: Imagen SEM – nivel 1 anfibolitas de Mede-llín

Page 10: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

324 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

Figura 11: Imagen SEM – nivel 2 anfibolitas de Mede-llín

Figura 12: Imagen SEM – nivel 3 anfibolitas de Mede-

llín

7.1 Cizallamiento directo

Los resultados del ensayo de cizallamientodirecto para cada nivel, para su humedad natu-ral se muestran en la Tabla 3. La variación de laresistencia con la profundidad en estos suelosva a depender de dos factores: la succión y elnivel de meteorización. Graficando la variaciónde la resistencia al cizallamiento con laprofundidad, se observa en las Figuras 13 y 14que los resultados varían poco cuando lasvariaciones de succión son pequeñas, comoocurre en los niveles 2 y 3 del neis y 1 y 2 de lasanfibolitas. Por el contrario, si las variaciones

de succión son importantes, las de resistenciatambién lo son. Teniendo en cuenta la variaciónde la resistencia con el nivel de tensiónconfinante aplicado y con la profundidad, seobserva una marcada influencia del efecto de lameteorización entre el nivel 2 y 3 de lasanfibolitas. Para verificar más claramente la in-fluencia de la meteorización sobre la resistencia,se requiere la ejecución de ensayos sobremuestras saturados o con el mismo valor desucción.

Tabla 3. Resultados ensayo cizallamiento directo

Figura 13: Resistencia al cizallamiento - Perfil origina-do del neis de la Iguaná

Figura 14: Resistencia al cizallamiento - Perfil origina-do de las anfibolitas de Medellín

Page 11: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

325IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

7.2 Tracción diametral

Este ensayo fue realizado en el Laboratorio deGeotecnia de la Universidad de Brasilia (UnB),en él se determina indirectamente la resistenciaa la tracción de un material (σ

t), aplicando una

carga de compresión a lo largo de su eje. Laruptura es producida por tracción, teóricamenteuniforme, atenuada en la región central deldiámetro cargado y donde:

(1)

Con, D = Diámetro de la muestra L = Espesor de la muestra P =Carga

De este ensayo se puede determinar lacohesión aparente (c) para un determinado va-lor de succión (u

a-u

w) y el ángulo de fricción

con relación a la succión matricial (φb), de don-de:

(2)

De la ecuación de Fredlund et al. (1978):

(3)

Admitiendo φ´ y c´ constantes, se puede deter-minar la parte de la resistencia proporcionadapor la succión matricial. Esta resistencia fueconsiderada como, el crecimiento de la cohesióndado por ( ) b

wa uuc φtan−=∆ , siendo la cohesióntotal la suma de la cohesión efectiva (c´) y elcrecimiento de la cohesión (∆c),

y admitiendo c´ como ceropara el caso de este suelo en estado saturado,valor comúnmente encontrado para los suelosregionales, se tiene entonces:

(4)

y (5)

τ = Resistencia al cizallamiento.c´ = Intercepto de la cohesión obtenida en

suelo saturado.c = Cohesión aparente para un valor dado de

succión.σ = Tensión normal.φ´ = Ángulo de fricción del suelo.φb = Ángulo de fricción del suelo con relación

a la succión matricial.

La relación existente entre la cohesión apa-rente y la succión matricial llega a un punto enque se hace estable y no se gana más resistenciaal aumentar la succión, generando un ángulode fricción (φb) que tiende a cero (Figura 15).Figura 15: (u

a-u

w) – φb para los perfiles

metamórficos

Figura 15: (ua-u

w) – φb para los perfiles metamórficos

La forma de obtener el valor de la cohesiónaparente (c) y el φb, a partir del ensayo detracción, es bastante rápida y económica; sinembargo, esta técnica está siendo refinada enaspectos tales como, la geometría de loscuerpos de prueba y la precisión de los equipos.

Page 12: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

326 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

7.3 Curvas características

En la Figura 16 se puede ver, que para ambos per-files el nivel 1 presenta succiones mayores que elnivel 2 y el nivel 2 mayores succiones que el nivel3, lo cual está confirmando el efecto de lameteorización en estos perfiles. Al igual se obser-va que las curvas de succión para el perfil origina-do de las anfibolitas de Medellín siempre estánpor encima de las curvas de succión del neis de laIguaná, analizando nivel por nivel, lo cual indicauna mayor meteorización para las anfibolitas deMedellín que para el neis de la Iguaná.

Figura 16: Curvas características en función de lahumedad (w) para los perfiles metamórficos

8 ESTABILIDAD DE LOS TALUDES

A pesar de la facilidad de determinar la cohesiónaparente a partir de los ensayos de tracción, seoptó por hacer los análisis de estabilidad de lostaludes con base en los resultados del ensayode cizallamiento directo, teniendo en cuenta deesa forma las humedades naturales.

Para validar el efecto de la meteorizaciónsobre la estabilidad de los taludes, se analizarontres casos diferentes, donde para cada caso seconsideró el talud homogéneo con losparámetros de resistencia de cada uno de losniveles, o sea, compuesto por un materialmeteorizado, medianamente meteorizado o nometeorizado. En cada uno se varió la cohesiónentre 0 kPa y el valor obtenido para la humedad

natural, ambos taludes se diseñaron con unangulo de inclinación de 45°, que es lainclinación que generalmente presentan los ta-ludes de la zona y con una altura de talud de 25m para el neis de la Iguaná y 20 m Para lasanfibolitas de Medellín. En las Tablas 4 y 5 seobserva que la succión es un factor importantepara la estabilidad de los taludes en los dosperfiles, pero la variación de la cohesión con lameteorización teniendo en cuenta la humedadnatural, es inversa. Este resultado esta enconcordancia con los resultados obtenidos enla Figura 6, que muestra una variación inversade la cohesión con el contenido de caolinita y,por tanto con el grado de meteorización.

Los resultados de las Tablas 4 y 5 muestranque, en general para los valores de humedadnatural, los taludes se hacen más estables conel aumento en la cohesión. Considerando losresultados obtenidos para una misma cohesión,se observa que en el perfil del Neis de la Iguaná,el Factor de Seguridad (F.S.) disminuye con elgrado de meteorización, lo que no sucede conel perfil de las anfibolitas de Medellín. Por lotanto, la influencia de la meteorización en lasanfibolitas no es clara, recomendándoseestudios complementarios en esta formación,como determinar los parámetros de resistenciaa partir de ensayos triaxiales.

Tabla 4. Resultados análisis estabilidad de talu-des (F.S.) – perfil Neis de la Iguaná

Tabla 5. Resultados análisis estabilidad de talu-des (F.S.) – perfil Anfibolitas de Medellín

Page 13: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

327IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA

9 CONCLUSIONES

• En los perfiles estudiados se evidenciaclaramente el avance de la meteorizaciónhacia la superficie, donde para los nive-les más cercanos a la roca se tienen par-tículas de mayor tamaño, con altacantidad de cuarzo o anfíboles, segúnsea el caso y a medida que se acerca mása la superficie aumenta la cantidad departículas finas con agregaciones, fun-damentalmente caolinitas, ilitas ymontmorillonitas, dándose unaalteración de los minerales primarios asecundarios. Igualmente, en términos deporosidad y estructura, al acercarse a lasuperficie se pasa de tener una estructurahomogénea a una estructura más poro-sa. Las propiedades químicas, son de lamisma forma afectadas por el nivel demeteorización.

• En los análisis de estabilidad, quedó claroque la influencia de la meteorización noes igual para las dos formaciones geoló-gicas estudiadas. Por lo tanto, efecto dela meteorización sobre el comporta-miento geotécnico de los suelos, depen-de de su origen geológico. Sin embargoen los dos casos, es importante consi-derar el efecto de las variaciones desucción.

10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Corrales, J. y Leoz, F. (1996). Succión matricialde suelos como parámetros de estabilidadde taludes. Tesis de pregrado. UniversidadNacional de Colombia, Sede Medellín.

Fookes, P. (2004). Suelos residuales tropicales.Hombre Nuevo Editores. Traducida porFabián Hoyos Patiño, Medellín.

Fredlund, D. Morgenstern, N. & Widger, R.(1978). The shear strength unsaturade soils.

Canadian Geotechnical Journal, vol 15, p 313-321.

GEOTECHNICAL CONTROL OFFICE. CIVILENGENEERING SERVICES DEPARTMENTHONG KONG. (1988). Geoguide 3. Guide torock and soil descriptions. 1ª Ed.

Lima, M.C. (2003). Desagregaçâo físico-quími-ca e mineralógica de maciços junto àsvoçorocas. Tese de Doutorado emGeotecnia. Universidade de Brasilia.

Márquez, G. (1982) Propiedades Ingenieríles delos suelos. Medellín: Universidad Nacionalde Colombia.

Nogami, J.S. y Villibor, D.F. (1995). Pavimenta-ção de baixo custo com solos lateríticos.Brasil.

NORMA ASTM Standard D422 y 422-63:Method for Particle-Size Analysis of Soils.

NORMA ASTM Standard D4218: Test Methodfor Liquid Limit, Plastic Limit, and PlasticityIndex of Soils.

NORMA ASTM Standard D854-92: TestMethod for Specific Gravity of Soils.

NORMA ASTM Standard D2216-92: TestMethod for Laboratory Determination ofWater (Moisture) Content of Soil and Rock.

NORMA ASTM Standard D2435-70: TestMethod for One-Dimensional ConsolidationProperties of Soils.

NORMA ASTM Standard D3080-90: Methodfor Direct Shear Test of Soil UnderConsolidated Drained Conditions.

NORMA ASTM Standard D5298-92: TestMethod for Measurement of Soil Potential(Suction) Using Filter Paper.

Rendón, D. (1999). Cartografía y caracterizaciónde las unidades geológicas de la zona urba-na de Medellín, Universidad Nacional.

Silveira, A.L.Z.P. (2004). Relação entre amicroestructura e as propriedades físico-químicas e mineralógicas de solossaprolíticos. Relatório da disciplina SolosTropicais, Programa de Pós-Graduação emGeotecnia, UnB.

Page 14: La meteorización y los mecanismos de inestabilización de ... · Analizando la gravedad específica en un mismo perfil, ... 4.4 Clasificación de los suelos La Tabla 1 muestra la

328 IV COBRAE - Conferência Brasileira sobre Estabilidade de Encostas - Salvador-BA