Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica. Livaniel Viveros Rosero

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Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica Livaniel Viveros Rosero UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA AREA CURRICULAR
Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica Livaniel Viveros Rosero UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA AREA CURRICULAR DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA MAESTRÍA EN INGENIERÍA GEOTECNIA BOGOTÁ, 2014 Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica Livaniel Viveros Rosero Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al título de: Magister en Ingeniería - Geotecnia Director: Ph.D. Julio Esteban Colmenares Montañez Línea de Investigación: Relaciones constitutivas en suelos y rocas Grupo de Investigación: Suelos Residuales y Parcialmente Saturados UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA AREA CURRICULAR DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA MAESTRÍA EN INGENIERÍA GEOTECNIA BOGOTÁ, 2014 IV Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica A mi madre por ser la luz que guía mi camino, A mi hermano Oscar Fernando, porque en él tuve el mejor ejemplo de positivismo, recursividad, constancia y persistencia. V AGRADECIMIENTOS El autor expresa sus más sinceros agradecimientos a todas las personas que han aportado en el desarrollo de esta investigación, en especial a: El profesor Julio Esteban Colmenares Montañez, Director de Tesis, por su magnífica vocación en la docencia e investigación. Por su confianza, sus acertados consejos y su valioso aporte en el desarrollo de esta investigación. El personal docente del programa de Maestría en Ingeniería Geotecnia de la Universidad Nacional de Colombia, por su invaluable aporte en mi crecimiento profesional. Mi familia: Mi padre, Humberto Viveros, por estar pendiente de mi futuro y quien me ha brindado siempre su apoyo incondicional. A mis hermanas: Patricia, Amanda y Mónica, por su ejemplo, consejos y el gran amor que recibo de ellas en la ausencia póstuma de mi madre. A mis hermanos: Roberto, Uriel y Mauricio, por creer en mí y brindarme su amistad. A mis sobrinos por ser la razón para continuar en la búsqueda del conocimiento. Viviana Carolina, con quien he aprendido el significado del Amor. El ingeniero Juan Carlos García Leal, por su aporte en la elección del tema de investigación y sus continuos aportes a este trabajo. Los ingenieros, Aida Galvis y Weimar García, por su amistad y aportes dentro del campo experimental y laboral. El personal del Laboratorio de Geotecnia: Ing. Daniel Camargo, Norberto Alfonso Pérez y Germán Peña León, quienes me apoyaron incondicionalmente en la ejecución de ensayos y pruebas de laboratorio. A todas las personas que han creído en mí y me han dado constantes oportunidades para continuar en el largo camino del desarrollo profesional. Resumen y Abstract VII Resumen En este trabajo se presenta el estudio de la influencia del proceso de compactación sobre la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica proveniente de un área en el municipio de Palestina Caldas (Colombia). La investigación consistió en la caracterización del suelo con la aplicación de ensayos básicos y técnicas experimentales específicas para conocer aspectos particulares del material. Se revisó el comportamiento del material usando compactación dinámica y compactación estática, con el fin de evaluar la incidencia en el proceso con el cambio en la naturaleza y la cantidad de la energía aplicada sobre el material. Se evaluó las características de retención de agua en muestras compactadas estáticamente para diferentes estados de compactación usando la técnica del papel de filtro para medir la succión. Los resultados experimentales permiten la interpretación del comportamiento del suelo, en términos de las variables tradicionales de densidad y contenido de agua de compactación, teniendo en cuenta la variable succión. De manera indirecta se evidenció que de acuerdo a la naturaleza y cantidad de energía de compactación se puede generar diferente tipo de fábrica en el suelo y por ende se encuentran diferentes características de retención de agua y comportamientos en resistencia al corte del suelo estudiado. El criterio de falla extendido de Mohr Coulomb (Fredlund y Morgenstern, 1977) representa bien el estado de esfuerzos en falla, encontrados en el material para los estados característicos evaluados. Palabras clave: Suelo parcialmente saturado, suelo volcánico, succión, resistencia al corte. VIII Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica Abstract This study contains experimental results on the influence of the compaction process over the shear strength of a soil derived from volcanic ash. The tested soil comes from the area of Palestina, located in the department of Caldas in the center of Colombia. This research includes the use of both basic and advanced experimental techniques: dynamic and static compaction methods that allow to estimate the impact of the applied compaction energy on the material; and the technique of the filter paper that enables to evaluate the characteristics of water retention in statically compacted samples for different compaction conditions. The experimental results led to observe the behavior of the soil in terms of its density and water content at compaction, also considering the suction property. The different types of soil fabric generated as a result of the nature and magnitude of the compaction energy were evidenced; on the other hand, the variation in some soil properties, such as water retention, shear strength and soil stiffness, were observed. The extended Mohr-Coulomb failure criterion (Fredlund and Morgenstern, 1977), accurately represented the final stress conditions at failure. Keywords: Shear Strength, compacted soil, unsaturated soil, residuals soils, volcanic soil. IX Contenido Pág. Resumen... VII Abstract... VIII Lista de figuras... XII Lista de tablas... XVI Lista de Fotografías... XVII Introducción Marco Conceptual Introducción Conceptos básicos Relaciones de fase en suelos parcialmente saturados Tipos de suelos parcialmente saturados Génesis y evolución de los minerales en suelos derivados de cenizas volcánicas Problemas en la caracterización de suelos derivados de cenizas volcánicas Estructura de suelos derivados de ceniza volcánica Cementación Succión en suelos parcialmente saturados Concepto Medición de la Succión Curvas de retención de agua Características de compactación Compactación dinámica Compactación estática Resistencia al corte de suelos parcialmente saturados Efectos de la cementación en el comportamiento esfuerzo deformación Referencias capítulo Caracterización del suelo estudiado y técnicas experimentales Introducción Localización geográfica Origen geológico y composición del suelo Origen del suelo Depósitos de caída piroclástica Geología estructural local... 28 X Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica 3.4 Muestreo del material Caracterización básica del suelo Descripción visual Contenido de agua Desagregación del suelo Distribución granulométrica Análisis mecánico Hidrometría Gravedad específica (Gs) Límites de consistencia Relaciones gravimétricas y volumétricas Clasificación del material Caracterización química y mineralógica del suelo en estudio Composición química por fluorescencia de rayos x Composición mineralógica por difracción de rayos X (XRD) Análisis petrográfico de sección delgada Composición Estructuras internas Gradación Otras observaciones Tamaño de poros Fábrica Distribución de tamaño de poros Ensayo de sortometría (adsorción desorción de nitrógeno) Características de compactación Compactación dinámica Compactación estática Medición de la succión matricial del suelo Técnica del papel filtro Ensayos de comportamiento mecánico del suelo en estudio Ensayos de Corte Directo Análisis y discusión de resultados Referencias capitulo Resultados Introducción Características de compactación Compactación dinámica Compactación estática Comparación entre las características de la compactación dinámica y la compactación estática Medición de la Succión Matricial Curva de retención de agua Ensayos de Comportamiento Mecánico Ensayos de corte directo Experimento de Hvorslev sobre la resistencia del material en el estado de falla Referencias del Capítulo Análisis y discusión de resultados Introducción XI 5.2 Características de compactación Medición de la succión matricial Curvas de retención de agua Ensayos de comportamiento mecánico Criterio de falla extendido de Mohr - Coulomb Experimento de Hvorslev sobre la resistencia del material en el estado de falla Referencias del capítulo Conclusiones y recomendaciones Introducción Características del material Comportamiento en compactación y en ensayos de resistencia Ensayos y técnicas experimentales Futuras investigaciones Referencias del capítulo XII Lista de figuras Pág. Figura 2.1: Diagrama de fases del suelo. Padilla (2003).5 Figura 2.2: Evolución de los minerales en suelos derivados de cenizas volcánicas. (Besoain, y González, 1977)...9 Figura 2.3: Modelo para succión matricial 12 Figura 2.4: Curva de retención de agua. Kawai et al. (2000).16 Figura 2.5: Criterio de Mohr-Coulomb extendido para suelos parcialmente saturados. (después de Fredlund y Rahardjo, 1993) 19 Figura 2.6: Criterio de Mohr-Coulomb extendido. Angulo constante (después de Fredlund y Rahardjo, 1993)...20 Figura 3.1: Localización general del sitio de Muestreo Figura 3.2: Esquema general del Proyecto Aeropuerto del Café Figura 3.3: Curva Granulométrica del suelo estudiado Figura 3.4: Ubicación del material en la carta de plasticidad de Casagrande Figura 3.5: Suelos del área de Palestina (Caldas). Adaptada de Sánchez (2008) Figura 3.6: Difractograma del suelo de este estudio Figura 3.7: Distribución de tamaños de grano. Suelo en estudio Figura 3.8: Función de distribución de tamaño de poros Figura 3.9: Seis tipos de Isoterma de adsorción, según clasificación del IUPAC (Adaptado de Martin,J ) Figura 3.10: Isoterma de adsorción desorción para el material Natural. Ensayo de Sortometría Figura 3.11: Curvas (fuerza desplazamiento) a densidad seca constante Figura 4.1: Prueba Proctor para diferentes energías de compactación Figura 4.2: Prueba Proctor. Ilustración del comportamiento de la masa de suelo durante el ensayo Figura 4.3: Curvas (fuerza desplazamiento) a densidad seca constante Figura 4.4: Curvas (fuerza desplazamiento). Venkatarama y Jagadish (1993) Figura 4.5: Curvas (fuerza desplazamiento). Suelo en estudio Figura 4.6: Compactación estática: relación densidad seca vs contenido de agua Figura 4.7: Curvas de compactación de un Limo de baja plasticidad para tres valores de esfuerzo de compactación estática, con contornos de iso succión. Gens et al. (1995) Figura 4.8: Curvas de Compactación del suelo en estudio, con líneas de succión constante Figura 4.9: Relación Contenido de agua Succión en función del límite líquido. Adaptada de Ridley y Romero (1998) en Leroueil y Hight (2013) Figura 4.10: Relación humedad Succión en función del índice de plasticidad. Adaptada de Marinho y Chandler (1993) en Alonso (2010) Figura 4.11: Curva de compactación y la relación Contenido de agua-succión del material La Verne (después de Fleureau et al., 2002) en Lerouil (2013).. 78 Figura 4.12: Relación Contenido de agua-succión para dos suelos compactados Li (2001) Figura 4.13: Relación contenido de agua Succión en función de la densidad seca Figura 4.14: Curva de retención de agua del suelo natural ( d: 0.944gr/cm3, : 58%).. 82 Figura 4.15: Curva de retención de agua del suelo natural ( d: 0.944gr/cm3, : 58%). 82 Figura 4.16: Curvas típicas de retención de agua según tipo de suelo a) Gerscovich y Sayao (2002) b) Vanapalli et al. (1999) Figura 4.17: Curvas de retención de agua para suelos derivados de cenizas volcánicas...84 Figura 4.18: Curvas típicas de retención de agua según tipo de suelo. Adaptado de Gitirana y Fredlund (2004) Figura 4.19: Curva de retención de agua del suelo compactado Figura 4.20: Curva de retención de agua del suelo compactado Figura 4.21: Curvas de retención de agua del suelo natural y muestra compactada Figura 4.22: Influencia de la energía de compactación en la curva de retención de agua Miller et al. (2002) 89 Figura 4.23: Curvas de retención de agua Figura 4.24: Pruebas de corte directo con muestras a igual densidad seca Figura 4.25: Trayectoria de esfuerzos ( n, en función del contenido de agua de compactación y la densidad seca Figura 4.26: Pruebas de corte directo con muestras compactadas a igual densidad seca a diferente humedad, pero saturadas en la etapa de falla Figura 4.27: Trayectoria de esfuerzos ( n,. Muestras en función de la humedad Figura 4.28: Relación resistencia al corte ( ) contra Aire en poros en función de la densidad seca ( d) Figura 4.29: Estados de compactación de acuerdo al contenido de aire en poros Pickens (1980)..97 Figura 4.30: Esfuerzo cortante en función de la Succión matricial inicial y la densidad Seca Figura 4.31: Curvas desplazamiento horizontal ( h) contra desplazamiento vertical ( v en función de la Succión matricial inicial y la densidad seca Figura 4.32: Curvas desplazamiento horizontal ( h) contra desplazamiento vertical ( v en muestras compactadas y muestra natural a la misma densidad seca 99 Figura 4.33: Resistencia al corte en función de la succión inicial y la densidad seca.100 Figura 4.34: Especímenes para la determinación del contenido de agua promedio en la zona de falla. Hvorslev (1937) 100 XIII XIV Influencia del proceso de compactación en la resistencia al corte de un suelo derivado de ceniza volcánica Figura 4.35: Curva de compresión virgen y estados de falla del suelo en estudio para ( d=0.95gr/cm3 y w compactación=56%) Figura 4.36: Estados de falla de los especímenes para el material de este estudio ( d=0.95 gr/cm3 y w compactación=56%) Figura 4.37: Derivación del esfuerzo de compresión equivalente Figura 4.38: Estados de falla de los especímenes para el material de este estudio Figura 4.39: Datos de falla para la arcilla Wiener Tegel V Figura 4.40: Rango de datos de falla observado para la arcilla Wiener Tegel V. (Schofield y Wroth, 1965) Figura 5.3: Prueba Proctor para diferentes energías de compactación Figura 5.2: Compactación estática: relación densidad seca vs contenido de agua para diferentes energías de compactación Figura 5.3: Curvas de Compactación Estática del suelo en estudio, con líneas de succión constante Figura 5.4: Relación Contenido de agua Succión en función del límite líquido. Adaptada de Ridley y Romero (1998) en Leroueil y Hight (2013) Figura 5.5: Relación Contenido de agua Succión en función del índice de plasticidad Adaptada de Marinho y Chandler (1993) en Alonso (2010) Figura 5.6: Relación contenido de agua Succión en función de la densidad seca 115 Figura 5.7: Curvas típicas de retención de agua según tipo de suelo. Adaptado de Gitirana y Fredlund (2004) Figura 5.8: Curvas de retención de agua del suelo natural y muestra compactada para similares condiciones iniciales de densidad seca y contenido de agua. 116 Figura 5.9: Trayectoria de esfuerzos ( n,. Muestras en función del contenido de Agua.118 Figura 5.10: Esfuerzo cortante en función de la Succión matricial inicial y la densidad seca.119 Figura 5.11: Curvas desplazamiento horizontal ( h) contra desplazamiento vertical ( v en función de la Succión matricial inicial y la densidad seca.120 Figura Relación resistencia al corte ( ) contra Aire en poros en función de la densidad seca ( d) 121 Figura 5.13: Resistencia al corte en función de la succión inicial y la densidad seca.122 Figura 5.14: Envolvente de falla en el espacio de esfuerzos ( n, ).123 Figura 5.15: Envolvente de falla en el espacio de esfuerzos ( n,. Muestras en función del contenido de agua Figura 5.16: No linealidad entre la resistencia al corte y la succión matricial. Datos experimentales de Gan et al, Figura 5.17: Curva de compresión virgen y estados de falla del suelo en estudio para ( d=0.95gr/cm3 y w compactación=56%) Figura 5.18: Derivación del esfuerzo de compresión equivalente.127 Figura 5.19: Estados de falla de los especímenes para el material de este estudio ( d=0.95gr/cm3 y w compactación=56%) Figura 5.20: Estados de falla de los especímenes para el material de este estudio..128 Figura 5.21: Datos de falla para la arcilla Wiener Tegel V Figura 5.22: Rango de datos de falla observado para la arcilla Wiener Tegel V Figura 5.23: Superficie Hvorslev Coulomb..130 XV XVI Lista de tablas Pág. Tabla 2.1: Tipos de poro según su tamaño. Romero (1999) 11 Tabla 3.1: Proporción de tamaños de partículas de suelo Tabla 3.2: Resultados limite líquido, limite plástico e índice de plasticidad Tabla 3.3: Relaciones gravimétricas y volumétricas material natural.34 Tabla 3.4: Resumen de Composición química del Suelo en estudio Tabla 3.5: Composición del armazón de naturaleza clástica, predominando minerales volcánicos básicos Tabla 3.6: Composición de la matriz, donde predomina el limo silíceo Tabla 3.7: Composición general de la muestra AP7 M Tabla 3.8: Diferentes tipos de contacto entre los granos Tabla 3.9: Tamaño predominante de las partículas en la sección delgada Tabla 3.10: Escala de ordenamiento y selección de sedimentos. Adaptada de Folk y Ward (1957) 46 Tabla 3.11: Tipos de poro según su tamaño, Romero (1999) Tabla 3.12: Relación Energía - No. de golpes. Ensayos Tipo Proctor Tabla 4.1: Relación Energía - No. de golpes. Ensayos Tipo Proctor Tabla 4.2: Coeficiente de determinación para las líneas de tendencia de la fig Tabla 4.3: Suelo Natural. Parámetros ajustados de la ecuación de Fredlund y Xing (1994) Tabla 4.4: Suelo Compactado. Parámetros ajustados ecuación de Fredlund y Xing (1994) Tabla 4.5: Diferencia entre succión matricial para muestra compactada y muestra natural... 89 XVII Lista de Fotografías Pág. Fotografía 3.1: Actividad de muestreo del material derivado de ceniza volcánica Fotografía 3.2: Plagioclasa zonada tamaño arena media Fotografía 3.3: Estructura matriz soportada con cristales de hornblenda Fotografía 3.4: Estructura del suelo en sección delgada. Fragmentos líticos, matriz, poros y óxidos de hierro Fotografía 3.5: Interconexión entre poros de diferente tamaño de escala macroscópica47 Fotografía 3.6: Equipo de corte directo Introducción El empleo de los suelos compactados es frecuente en la construcción de obras de ingeniería civil. En las últimas décadas, el estudio de suelos residuales compactados ha sido objeto de numerosos trabajos de investigación, debido a las dificultades que implica la aplicación de la mecánica de suelos tradicional a los problemas geotécnicos que estos plantean (Buenfil, 2007). En varios países se ha evidenciado que el uso de suelos volcánicos, como material de construcción, trae consigo inconvenientes en el comportamiento de las estructuras geotécnicas, en términos de su comportamiento volumétrico y de resistencia al corte. De acuerdo con Wesley (2003), Wesley (2003a), Kett et al. (2005) y Herrera (2006), estos problemas principalmente se han asociado con el proceso de compactación en obra (p.e. en Colombia, Costa Rica, Nueva Zelanda, India, Japón e Indonesia). El control del proceso de compactación en la práctica de la Ingeniería generalmente se realiza siguiendo los métodos clásicos como el propuesto por Proctor en 1930, en el cual se determina la humedad óptima para una energía de compactación especifica que produce la máxima densidad seca; y dado que en la mayoría de suelos existe una correspondencia univoca entre la densidad seca y la resistencia al corte, también se ha usado muy frecuentemente con los suelos volcánicos. Según Polimon et al. (1976) y Wesley (2009), como resultado de la compactación en campo y el control por la metodología Proctor, hay evidencia que el material después de compactado presenta muy baja resistencia al corte. La hipótesis que soporta este comportamiento es que l
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