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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS
VOLCÁNICOS COMPACTADOS
Alejandra Restrepo Guerra, Bernardo Caicedo Hormaza y Julieth Monroy Mendoza
([email protected]; [email protected]; [email protected])
Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
RESUMEN. El estudio del comportamiento de los suelos volcánicos compactados es un
problema relevante porque se presenta muy poca información sobre la caracterización
intrínseca de este material y su comportamiento a la compactación. Para ello, se preparó el
material de dos formas diferentes: 1) secado al aire y rehumedecer, y 2) secado gradual. Se
trabajaron las mismas siete humedades que usó Oisy Hernández (2016) y se compactó con
el equipo oedométrico de dos pistones. Se aplicó un protocolo con ciclos de carga/descarga,
control de velocidad y tiempos de reposo para luego extraer siete cilindros de muestra. Se
calculó la densidad seca para elaborar las curvas de compactación oedométrica. Luego, se
realiza una comparación entre las curvas de compactación proctor (Hernández) y
oedométrica (esta investigación). Al final, se escogen tres cilindros de diferente humedad
para realizarles ensayos de resistencia al corte y nuevamente se compara con los resultados
de Hernández.
Palabras claves: suelo derivado de ceniza volcánica, compactación, oedómetro de dos
pistones, curva de compactación, resistencia al corte.
STUDY OF THE BEHAVIOR OF COMPACTED
VOLCANIC SOILS
ABSTRAC. The study of the behavior of compacted volcanic soils is a relevant issue due to
the minimal existing information related to the intrinsic characteristic of this material and its
behavior due to compaction. In order to have a better understanding of this specific topic,
some tests were performed. The material was prepared in two different ways: 1) air drying
and rewetting, and 2) gradual drying. Seven samples with different humidities were
elaborated taller the work of Oisy Hernández (2016) as the basics, compacting the material
with the two-piston oedemeter equipment. A protocol of loading/unloading cycles, speed
control and resting times was applied to extract seven sample cylinders. The dry density was
calculated in order to carry out the oedeometric compaction curves. Then, a comparison was
made between proctor (Hernández) and oedometric (the current research) compaction
curves. The last stage of this study was to conduct a shear strength test to three of the seven
cylinders with different humidity and compare the results obtained with Hernández’s results.
Keywords: soil derived from volcanic ash, compaction, two-piston oedometer, compaction
curve, shear strength.
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1. INTRODUCCIÓN
Los suelos volcánicos o también llamados suelos derivados de ceniza volcánica son comunes en ciertas
regiones del mundo. Estos se ubican de forma sobresaliente en las regiones tropicales y representan
aproximadamente el 0,84% de todos los suelos del mundo (Lizcano et al., 2006). En Colombia, estos suelos
abarcan el 11,6% (Forero et al., 2000) y se encuentran cercanos a una parte de la región andina donde se
ubican todos los volcanes del país, cómo se observa en la Figura 1. De igual manera, son reconocidos en el
campo de la agricultura por ser bastante fértiles, pero al mismo tiempo por presentar problemas de tipo
geotécnico (Herrera, 2006).
Figura 1. Mapa de distribución de volcanes y cenizas volcánicas en Colombia. Tomado de Lizcano et al., (2006).
En Colombia, la zona donde se ubican estos suelos volcánicos, se presenta una gran variedad de climas
debido a los diferentes pisos térmicos. Cada uno de ellos cuenta con sus condiciones climáticas particulares
y se deben a la incidencia de los rayos solares o el calor solar, los vientos que provienen del Pacífico, la
humedad del aire, las precipitaciones, las condiciones topográficas o de relieve y a la altitud. En muchas
zonas se presentan altas o medianas precipitaciones, que resultaron de la evaporación por la alta caída de
los rayos solares. Por lo anterior, se considera que los suelos de ceniza volcánica del país están parcialmente
saturados. Esto también ayuda a entender por qué es necesario empezar a implementar el uso de la mecánica
de suelos parcialmente saturados en la investigación a la cátedra universitaria (Meza, 2012).
En el año 2006, Lizcano et al., estudió y analizó estos suelos volcánicos y se mostró que estos son muy
particulares. Lo anterior se debe a que presentan una estructura cementada bastante porosa y a que están
conformados por agregaciones aleatoriamente distribuidas del tamaño del limo y por minerales de fracción
arcilla (Lizcano et al., 2006). La cementación generalmente se produce por minerales de arcilla tales como
3
alofana, imogolita, haloisita y ferrihidrita, o compuestos de humus y Al/Fe y opalina silícea (Herrera, 2006).
Por otro lado, la mineralogía que se encuentra presente en los suelos volcánicos de Colombia ejerce una
gran influencia sobre sus características y comportamiento mecánico (Herrera, 2006). De igual modo, la
distribución de partículas en estos suelos depende de la distancia a la que fueron depositadas las cenizas
junto al grado de meteorización que han soportado (Lizcano et al., 2006).
En el año 2013, Otálvaro estudió la influencia que generan factores ambientales tales como la mineralogía,
la estructura y el agua en el comportamiento hidromecánico de un suelo tropical compactado. Los suelos
tropicales suelen ser particulares debido a que poseen una distribución de poros bimodal (micro y macro) y
por la relación entre infiltración-evaporación se encuentran en un estado de saturación parcial (Otálvaro y
Cordão-Neto, 2011). En el desarrollo de su tesis trabajó con dos tipos de compresiones (oedométrica y
triaxial), con el fin de entender su comportamiento en los cambios de la estructura y particularmente de la
fábrica (Otálvaro, 2013).
Para el año 2016, Hernández estudió y analizó el comportamiento hidráulico, mecánico y estructural de los
suelos derivados de ceniza volcánica de Popayán. Para ello realizó la caracterización físico-química de este
y después lo preparó de dos formas diferentes: primero, secado al aire y después humedecer; segundo,
secado gradualmente. Para el primero, observó que la estructura mineralógica cambia por completo dando
cambios en la granulometría y plasticidad. Luego compactó con el equipo proctor y la curva de
compactación mostró dos curvas completamente diferentes. Posteriormente, la curva de retención de agua
para las muestras secas al aire presentó una histéresis elevada. También observó que al secar y compactar
los macroporos disminuyen y los microporos son más visibles con el secado al aire (Hernández, 2016).
Durante esta investigación, la tesis de Hernández es base fundamental para seguir inspeccionando el
comportamiento y estudio de suelos derivados de ceniza volcánica bajo condiciones de compactación.
Este problema es relevante porque se presenta muy poca información sobre la caracterización intrínseca de
este material y su comportamiento a la compactación. Es necesario saber sobre los suelos volcánicos, pues
son muy usados en varios contextos de la ingeniería civil, la de minas y la agrícola, entre otras. De otra
parte, para estos suelos que se usan en obras de ingeniería civil como la resolución de problemas de tipo
geotécnico (por ejemplo: estabilidad de un talud, material de relleno, soporte de cimentación para una
estructura o en la construcción de una vía) es indispensable conocer cómo es su comportamiento frente a la
compactación, puesto que ayudaría a saber si se mejoran las propiedades del suelo o si este se debe retirar
del lugar. Además ayudaría a evitar sobrecostos en los diseños puesto que estos suelos están ubicados sobre
zonas de alto desarrollo económico en Colombia.
2. MATERIAL
El suelo que se utilizó para este estudio, al igual que el de Hernández, fue extraído de los alrededores del
volcán Puracé en el departamento del Cauca, cerca de la ciudad de Popayán. La humedad natural fue del
78% y, a este material se le llamó “HNatural”. Siguiendo la metodología propuesta en el trabajo de
Hernández, se preparó el material de dos formas diferentes (ver Figura 2):
primero, una parte del suelo se dejó secar al aire hasta alcanzar su mínima humedad (en este caso,
wmin=13%), se disgregó manualmente y se pasó por un tamiz #4 (4.76 mm), luego se humedeció
hasta 38%, 38.8% y 42%, a estas se les llamó “RSeca”;
segundo, otra parte se secó de forma gradual, disgregando manualmente, hasta llegar a las
humedades de 64%, 65.3% y 72%, a estas se les llamó “RHúmeda”.
4
Se preparó un aproximado de 1200g de cada humedad. Se guardó en recipientes plásticos sellados con
vinipel y cada semana se realizaba un control de peso para evitar fuga o evaporación del agua. El material
fue homogeneizado por un mínimo de ocho días para asegurar el equilibrio en la humedad en todo el
material. En total, las humedades a trabajar para elaborar la curva de compactación fueron siete, tal como
se muestra en la Tabla 1 donde también se compara con el nombre de las muestras de Hernández.
Figura 2. Esquema de las dos formas de preparación del material.
Para cada rama, se utilizaron tres puntos para graficar la curva de compactación, a excepción del único punto
que era la humedad natural. Las humedades de 38.8% y 65.3% fueron las humedades óptimas proctor con
densidades máximas secas de 11.31 kN/m3 y 9.32 kN/m3 respectivamente. Los otros cuatro puntos (por
debajo de la óptima 38% y 64% como por encima de esta 42% y 72%) corresponden al 95% de las
densidades óptimas correspondiente. Para estos cuatro puntos con las mismas densidades correspondientes
de cada rama, se tendrá la misma relación inicial de vacíos (Hernández, 2016).
Tabla 1. Comparación de las muestras y humedades usadas para elaborar la curva de compactación.
Esta investigación Humedad Hernández
Nombre Muestra (%) Muestra Nombre
RSeca
CV 38,0 38,0 CH38
Seco CV 38,8 38,8 CH38,8
CV 42,0 42,0 CH42
RHúmeda
CV 64,0 64,0 CN64
Natural CV 65,3 65,3 CN65,3
CV 72,0 72,0 CN72
HNatural CV 78,0 78,0 Indeformada Indeformada
La caracterización para cada muestra de este material se resume en la Tabla 2, donde se observa que para
las humedades de 78% y 65,3% se pueden clasificar como arcillas de alta plasticidad (MH-OH) según el
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) (Hernández, 2016). Pero para el material secado al
aire, se observa que cambia por completo sus propiedades mineralógicas pasando de ser una arcilla a ser
una arena. Lo anterior muestra que los suelos volcánicos son bastantes sensibles a la perdida de agua en su
estructura interna. La gravedad específica (Gs) fue de 2,59 (Hernández, 2016).
5
Tabla 2. Propiedades del suelo volcánico utilizado en esta investigación. Tomado de Hernández (2016).
Muestra Característica Valor (%)
Indeformada
(natural)
o
humedad natural
Humedad inicial 78
Limite Líquido 100
Limite Plástico 79
Índice de plasticidad 21
% Arena 14
% Limo 24
% Arcilla 62
Secado previo hasta
65,3%
o
rama húmeda
Humedad inicial 65,3
Limite Líquido 93
Limite Plástico 83
Índice de plasticidad 13
% Arena 30
% Limo 19
% Arcilla 51
Seco hasta humedad
higroscópica
o
rama seca
Humedad inicial 7,7
Limite Líquido < 4
Limite Plástico -
Índice de plasticidad No plástico
% Arena 69
% Limo 8
% Arcilla 23
3. EQUIPO DE COMPACTACIÓN
El equipo oedométrico de dos pistones fue concebido para caracterizar el comportamiento del suelo mientras
es compactado (Ovalle et al., 2014). Durante el proceso de compactación, se evalúa el progreso de los
esfuerzos vertical y radial, así como la deformación. La forma como funciona este equipo es aplicar cargas
de compresión uniaxial vertical en ambos sentidos sobre el cilindro de muestra.
En la Figura 3 se muestra el esquema general del equipo. Este se compone de una cámara central de 13 cm
de altura que se divide en dos secciones. Esta se une por medio de cuatro tornillos que al final están
conectados con una placa rígida. Sobre una sección de la cámara se encuentra la celda de carga radial que
al toque con la placa rígida, hace el registro de la fuerza radial. Luego le siguen los anillos de PVC de 0.5
cm que hacen de material elástico para la expansión de la cámara central. Le siguen los soportes metálicos
de 7 cm de diámetro por 9.5 cm de alto que hacen de guía para el recorrido de los pistones.
Los pistones tiene un diámetro de 6.95 cm y la parte que toca con el suelo llevan una cerámica con capacidad
de 5 bares (Ovalle et al., 2014). Ambos pistones tienen dos pequeños agujeros que permiten la salida del
agua. La celda de carga vertical se ubica en la parte superior y se encarga de registrar la fuerza vertical.
Al final se encuentran los Servoactuadores eléctricos EXLAR-Yaskawa, equipos de instrumentación, que
se encargan de controlar la velocidad de desplazamiento de los pistones que ejercen la compactación sobre
la muestra. Este equipo trabaja de dos formas, una en la que se hace el control de carga y la otra en la que
se hace un control del desplazamiento. Esto se hace por medio del software LabVIEW de National
Instruments, que permite la manipulación manual del equipo como: desplazamiento de los pistones,
intervalo para la toma de datos, parada de emergencia y visualización de las gráficas del desplazamiento de
los pistones como el progreso los esfuerzos.
6
Figura 3. Esquema del equipo de compactación.
3.1 Ensayo de compactación
Inicialmente, se realizaron pruebas con caolín para verificar que el equipo: funcionara correctamente,
encontrar errores en lecturas de datos o celdas, delimitar la altura máxima inicial que puede trabajar y carga
máxima vertical que puede alcanzar. Teniendo en cuenta que la altura total del cilindro hueco es de 33 cm;
se tiene una limitación de espacio, por lo tanto solo es posible trabajar a una altura máxima de 28 cm. Para
ver el máximo esfuerzo vertical permitido, se sometió al equipo a cargas de 1529 kgf equivalentes a 3.90
MPa. Pero el equipo solo alcanzó a trabajar hasta 2.7 MPa, esto se debe a las protecciones del actuador
superior que por seguridad reduce la capacidad del equipo. Por lo tanto, el protocolo usado para el desarrollo
de este trabajo se muestra en la Tabla 3.
(a) (b)
Figura 4. Recorrido del esfuerzo vertical durante la compactación oedométrica, a) con respecto al tiempo y b) con
respecto al esfuerzo radial. (Caicedo et al., 2014).
EXLAR Superior
EXLAR Inferior
Celda de carga vertical
Celda de carga radial
Placa rígida Cámara central
de dos secciones
Cerámica
Cerámica
Pistón superior
Pistón inferior Placa base del
pistón inferior
Anillo de PVC
Anillo de PVC
Soporte superior
Soporte inferior
7
Este protocolo tiene 18 ciclos de carga y descarga con incrementos de 0.30 MPa (hasta llegar a 2.70 MPa)
y esfuerzo mínimo de 0.076 MPa. Cuando se llega a estos esfuerzos, el equipo se mantiene en reposo durante
15 minutos (ver Figura 4a). En la Figura 4b se muestra el esquema de la ruta que sigue el esfuerzo vertical
y radial durante el ensayo.
Para preparar el ensayo, primero se coloca el pistón inferior encima de la placa base y luego se ubica a la
altura a la cual se va a realizar el ensayo. Luego, se deposita el suelo en el interior de equipo oedométrico
(soportes y cámara central). Para simular el mismo procedimiento llevado en el ensayo proctor, se pre
compactó levemente en tres capas evitando así cambiar la densidad inicial del suelo. Después de tener listo
el cilindro de muestra, en el software se selecciona el modo de trabajo, que en este caso es protocolo por
carga (ver Tabla 3).
Tabla 3. Protocolo de ensayo de prueba.
Paso Etapa Dirección Velocidad
(mm/s)
Esfuerzo
(MPa)
Tiempo de
reposo (s)
0 1
Avance 0,005 0,30 900
1 Retroceso 0,003 0,076 900
2 2
Avance 0,005 0,60 900
3 Retroceso 0,003 0,076 900
4 3
Avance 0,005 0,90 900
5 Retroceso 0,003 0,076 900
6 4
Avance 0,005 1,20 900
7 Retroceso 0,003 0,076 900
8 5
Avance 0,005 1,50 900
9 Retroceso 0,003 0,076 900
10 6
Avance 0,005 1,80 900
11 Retroceso 0,003 0,076 900
12 7
Avance 0,005 2,10 900
13 Retroceso 0,003 0,076 900
14 8
Avance 0,005 2,40 900
15 Retroceso 0,003 0,076 900
16 9
Avance 0,005 2,70 900
17 Retroceso 0,003 0,076 900
3.2 Resultados
Se realizaron cuatro cilindros de prueba con el suelo de 78% de humedad a dos alturas iniciales diferentes
(26 cm para A y B, 28 cm para C y D, ver Figura 5a). Esto con el fin de realizar comparaciones entre
resultados para el punto solitario en la curva además de evaluar el esfuerzo máximo vertical que puede
alcanzar el equipo. Lo anterior se debe a que este suelo es muy particular y el contenido de agua es mucho
mayor a la prueba realizada con el caolín, por lo tanto el equipo puede trabajar de forma diferente.
En la Figura 5 se muestra la evolución en la altura de los cilindros de muestra y también la deformación
unitaria vertical durante el ensayo. Los cambios en la pendiente durante la etapa de carga en el primer ciclo
con respecto a los demás permiten identificar la diferencia en la velocidad de deformación. Se observa que
para los cilindros de 78% y 72% de humedad, la deformación en la primera etapa es mayor que para el resto.
Estos cilindros son pequeños en comparación a los de RSeca, debido a la cantidad de agua contenida y que
luego es expulsada durante el ensayo. Además, se puede ver que en la Figura 5a y 4c (78% y 72% de
humedad respectivamente) solo logran completar 7 de 9 etapas (2.1 MPa), mientras que el resto completan
8 de 9 (2.4 MPa). Esto se debe a lo anteriormente explicado sobre las protecciones del actuador superior.
8
Tiempo (103 s) Tiempo (103 s)
Figura 5. Cambio en la altura de los cilindros de muestra y la deformación unitaria vertical durante la compactación
de a) HNatural, c) RHúmedo, e) RSeca y g) comparación entre 38.8%, 65.3% y C-78%.
La Figura 6 muestra la evolución de los esfuerzos radiales con respecto al tiempo y a los esfuerzos verticales
durante el ensayo, con esto se pueden identificar los ciclos de carga y descarga. Se observa que para los
cilindros de muestra con humedad natural, el esfuerzo radial ejercido es casi el doble que el resto. En la
Figura 6g se puede ver con más detalle lo anteriormente dicho. El esfuerzo radial también determina una
14
16
18
20
22
24
26
28
0 5 10 15 20 25 30 35
hcilindro (cm)A
B
C
D
0
0,07
0,14
0,21
0,28
0,35
0,42
0,49
0 5 10 15 20 25 30 35
εv
A
B
C
D
16
19
22
25
28
0 5 10 15 20 25 30 35
64,0%
65,3%
72,0%
0
0,07
0,14
0,21
0,28
0,35
0,42
0 5 10 15 20 25 30 35
64,0%
65,3%
72,0%
19
22
25
28
0 4 8 12 16 20 24 28 32
hcilindro (cm)38,0%
38,8%
42,0%
0
0,08
0,16
0,24
0,32
0 4 8 12 16 20 24 28 32
εv
38,0%
38,8%
42,0%
16
19
22
25
28
0 5 10 15 20 25 30 35
38,8%
65,3%
78,0%
0
0,09
0,18
0,27
0,36
0,45
0 5 10 15 20 25 30 35
38,8%
65,3%
78,0%
a) b)
c) d)
e) f)
g) h)
9
pendiente de inclinación a medida que se van aplicando mayores esfuerzos verticales (ver Figura 6h), donde
entre mayor sea el esfuerzo radial, menor es la pendiente. Se esperaría que para la humedad de 72% (Figura
6c), que también tiene un alto contenido de agua, su esfuerzo radial se comporte de forma semejante a los
de 78% pero se puede ver un comportamiento no normal.
Tiempo (103 s) σr (MPa)
Figura 6. Evolución del esfuerzo radial vs tiempo y vs el esfuerzo vertical de a) HNatural, c) RHúmedo, e) RSeca y
g) comparación entre 38.8%, 65.3% y C-78%.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 5 10 15 20 25 30 35
σr (MPa)
A
B
C
D
0
0,6
1,2
1,8
2,4
3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
σv (MPa)
A
B
C
D
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15 20 25 30 35
64,0%
65,3%
72,0%
0
0,6
1,2
1,8
2,4
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
64,0%65,3%72,0%
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 4 8 12 16 20 24 28 32
σr (MPa)
38,0%
38,8%
42,0%
0
0,6
1,2
1,8
2,4
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
σv (MPa)
38,0%
38,8%
42,0%
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 5 10 15 20 25 30 35
38,8%
65,3%
78,0%
0
0,6
1,2
1,8
2,4
3
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
38,8%65,3%78,0%
a) b)
c) d)
e) f)
g) h)
10
Al ver la evolución de los esfuerzos verticales y radiales (Figura 6h) los resultados muestran dos tipos de
comportamiento: uno es una relación tangencial a lo largo de la cual se juntan las trayectorias de los
esfuerzos después de alcanzar el límite elástico en cada ciclo; el otro ocurre cuando los esfuerzos verticales
y radiales en cada ciclo son más bajos que los valores máximos alcanzados previamente (Caicedo et al.,
2014). Los resultados muestran que el segundo comportamiento depende de los esfuerzos, mientras que el
comportamiento tangencial es esencialmente independiente de los esfuerzos (Caicedo et al., 2014).
La relación de los esfuerzos K = σr σv⁄ en función al esfuerzo vertical se muestra en la Figura 7, donde se
observa que a mayor humedad mayor es la pendiente. En la Figura 7d donde se compara las humedades
óptimas de cada rama junto con la humedad natural, se puede demostrar lo anterior cuando se muestra que
esta pendiente es más considerable para la humedad natural. También se observa que el valor de K siempre
va aumentar a medida que se apliquen mayores esfuerzos verticales. En la Figura 8 se observa la trayectoria
de los esfuerzos en el plano s vs t donde s = (σv + σr) 2⁄ , y t = (σv − σr) 2⁄ . Se puede notar que entre
mayor es la humedad, menor son los esfuerzos en t (ver Figura 8d) dejando ver una pendiente baja. Además
todos los esfuerzos tienden a seguir el mismo patrón de comportamiento es los estados de reposo.
σv (MPa) σv (MPa)
Figura 7. Relación de los esfuerzos, K, para a) HNatural, c) RHúmedo, e) RSeca y g) comparación entre 38.8%,
65.3% y C-78%.
La Figura 9 muestra las líneas de compresión normales en relación al esfuerzo medio P para cada humedad
obtenida durante los ensayos. Se observa en la Figura 9d que las pendientes iniciales son completamente
diferentes para cada rama.
0
0,11
0,22
0,33
0,44
0,55
0 0,6 1,2 1,8 2,4
K
A
B
C
D0
0,06
0,12
0,18
0,24
0,3
0 0,9 1,8 2,7
K
64,0%
65,3%
72,0%
0
0,06
0,12
0,18
0,24
0 0,9 1,8 2,7
38,0%
38,8%
42,0%0
0,09
0,18
0,27
0,36
0,45
0,54
0 0,9 1,8 2,7
38,8%
65,3%
78,0%
a) b)
c) d)
11
s (MPa) s (MPa)
Figura 8. Trayectoria de los esfuerzos en el plano s vs t de de a) HNatural, c) RHúmedo, e) RSeca y g) comparación
entre 38.8%, 65.3% y C-78%.
P (MPa) P (MPa)
Figura 9. Relación de vacíos vs esfuerzo medio de a) HNatural, c) RHúmedo, e) RSeca y g) comparación entre
38.8%, 65.3% y C-78%.
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
t (MPa)
A
B
C
D-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8
t (MPa)
64,0%
65,3%
72,0%
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8
38,0%
38,8%
42,0%-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
38,8%
65,3%
78,0%
0,6
1
1,4
1,8
2,2
0,0001 0,001 0,01 0,1 1
eA
B
C
D
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0,0001 0,001 0,01 0,1 1
e64,0%
65,3%
72,0%
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0,0001 0,001 0,01 0,1 1
38,0%
38,8%
42,0%
0,6
1
1,4
1,8
2,2
0,0001 0,001 0,01 0,1 1
38,8%
65,3%
78,0%
a) b)
c) d)
a) b)
c) d)
12
Los resultados de la densidad seca de cada rama se muestran en la Figura 10. Para la Figura 10a, 9c y 9e se
muestra la evolución de la densidad a través de los esfuerzos verticales a los que se sometió. Entre mayor
era el esfuerzo vertical, la densidad seca aumentaba. En el caso de la humedad natural (Figura 10a y 9b), la
densidad seca se desarrolla más en la primera etapa en comparación a las otras humedades. Luego tiende a
tener un comportamiento asintótico, mientras que el resto parece seguir aumentando. Para la Figura 10b, 9d
y 9f se muestra de forma más detallada la evolución de la densidad en cada etapa, empezando desde 0 MPa
hasta el máximo esfuerzo vertical que alcanzó cada cilindro de muestra. Con esto, se deja ver la evolución
de la curva de compactación oedométrica.
σv (MPa) Humedad (%)
Figura 10. Estado de la densidad seca vs el esfuerzo vertical y vs la humedad para a) HNatural, c) RHúmedo y e)
RSeca.
4
5
6
7
8
9
0 0,6 1,2 1,8 2,4
γd (KN/m3)
A
B
C
D
A B C D4
5
6
7
8
9
0 1 2 3 4 5
γd (KN/m3)2,1 MPa
1,8 MPa
1,5 MPa
1,2 MPa
0,9 MPa
0,6 MPa
0,3 MPa
0 MPa
5
6
7
8
9
0 0,9 1,8 2,7
64,0%
65,3%
72,0%
2,4 MPa 2,1 MPa
1,8 MPa 1,5 MPa 1,2 MPa
0,9 MPa
0,6 MPa
0,3 MPa
0 MPa5
6
7
8
9
63 65 67 69 71 73
7,5
8,5
9,5
10,5
11,5
0 0,9 1,8 2,7
38,0%
38,8%
42,0%
2,4 MPa
2,1 MPa 1,8 MPa 1,5 MPa 1,2 MPa
0,9 MPa 0,6 MPa
0,3 MPa
0 MPa7,5
8,5
9,5
10,5
11,5
37 38 39 40 41 42 43
a)
c)
e)
b)
d)
f)
13
Al final, con la última etapa alcanzada por cada humedad, se obtiene la curva de compactación oedométrica
(ver Figura 11). Para la humedad natural se escogió el punto C debido a que era el punto con la menor
densidad seca registrada con respecto de A, B y D. En este caso, su densidad seca máxima fue de 8.10
KN/m3 y se encuentra muy levemente por encima de 90% de la curva de saturación. La densidad seca
máxima para la humedad optima de RSeca (38.8%) fue de 10.94 KN/m3, todos los puntos de esta rama se
encuentran por debajo del 80% de la curva de saturación. Para la humedad optima de la RHúmeda (65.3%),
la densidad seca máxima fue de 10.94 KN/m3. Dos puntos de esta rama (65.3% y 72%) se encuentran
sutilmente por encima del 90% de la curva de saturación, mientras que el tercer punto (64%) se encuentra
más cercano del 80%.
Figura 11. Curva de compactación oedométrica.
Las curvas de saturación dibujadas en la Figura 11 son las mismas que graficó Hernández. Además, a los
anteriores siete puntos de humedad escogidos para realizar las curvas de compactación, se muestra cual fue
el máximo esfuerzo vertical que alcanzaron y también se les calculó algunas propiedades como la relación
de vacíos inicial, el grado de saturación y la porosidad (ver Tabla 4). Para la comodidad de los cálculos, se
trabajó la misma gravedad especifica de Hernández (Gs=2.59). Se realizaron cálculos de la succión con el
equipo WP4-T pero debido a los altos contenidos de humedad no se pudo obtener lecturas, incluso con la
humedad más baja que era de 38%.
Tabla 4. Propiedades del suelo compactado con oedómetro.
Muestra Humedad
(%)
ϒd
(kN/m³)
σv alcanzado
(MPa) e0
Sr
(%) n
Succión
(kPa)
CV 38,0 38 10,74 2,4 1,36 70,7 0,58 -
CV 38,8 38,8 10,94 2,4 1,32 74,6 0,57 -
CV 42,0 42 10,74 2,4 1,36 78,2 0,58 -
CV 64,0 64 8,53 2,4 1,98 82,2 0,66 -
CV 65,3 65,3 8,97 2,4 1,83 90,6 0,65 -
CV 72,0 72 8,53 2,1 1,98 92,5 0,66 -
CV 80,0 78 8,10 2,1 2,17 92,8 0,68 -
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Den
sid
ad s
eca
(KN
/m³)
Humedad (%)
Hnatural O
RHúmeda O
RSeca O
Sr=80%
Sr=90%
Sr=100%
14
3.3 Comparación de las curvas de compactación (Proctor y Oedométrica)
Figura 12. Curva de compactación Proctor (Hernández, 2016).
La Figura 12 presenta la curva de compactación proctor realizada por Hernández. En la Tabla 5 se muestran
las propiedades de este suelo. Hernández realizó el cálculo de la succión mediante la combinación de varios
métodos como: placa, WP4-C, traslación de ejes y papel filtro. Esos métodos también le sirvieron para
elaborar las curvas de retención de agua.
Tabla 5. Propiedades del suelo compactado con proctor (Hernández, 2016).
Muestra Humedad
(%)
ϒd
(kN/m³) e0
Sr
(%) n
Succión
(kPa)
CH38 38 10,74 1,42 69,3 0,59 29
CH38,8 38,8 11,31 1,29 77,8 0,56 11
CH42 42 10,74 1,42 76,6 0,59 17
CN64 64 8,85 1,92 85,9 0,66 150
CN65,3 65,3 9,32 1,77 95,1 0,64 210
CN72 72 8,85 1,92 97,1 0,66 170
Indeformada 78 6,47 2,95 68,5 0,74 298
En la Figura 13 se muestra la comparación de ambas curvas de compactación. Se observa que para la rama
seca los puntos de 38% y 42% llegaron a la misma densidad seca máxima. En cambio, para 38.8% (optima)
la densidad está por debajo del valor al que se esperaba llegar (11.31 KN/m3). Probablemente sea a que falto
una cantidad de más de suelo (algunos gramos) en la preparación del cilindro inicial de compactación, dicho
en otras palabras, no se pre compactado a la misma energía inicial. En cambio, para la rama húmeda, se
puede ver que ninguno de los tres puntos alcanza a llegar a los puntos proctor. Lo anterior hace ver que se
requiere la aplicación de mayores esfuerzos verticales. Para el punto de la humedad natural, se requeriría
trabajar a una menor altura inicial, probablemente de 22 o 23 cm, pero debido al desplazamiento que se
realiza en la primera etapa hace que su tamaño disminuya tanto haciendo que los pistones entren en la
cámara de dos secciones (13 cm) y se alteren los resultados de los esfuerzo radiales.
6
7
8
9
10
11
12
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Den
sid
ad s
eca
(KN
/m³)
Humedad (%)
Indeformada PN
Natural PN
Seco PN
Sr=80%
Sr=90%
Sr=100%
15
Figura 13. Comparación de las curvas de compactación proctor y oedométrica.
Al igual que las curvas de Hernández, los resultados de esta investigación (RHúmeda y RSeca) son muy
similares a los resultados obtenidos por Wesley en 1973 con las cenizas volcánicas de Nueva Zelanda y
también con las de Lizcano et al., en el 2006 para los suelos en la región del eje cafetero.
4. EQUIPO DE RESISTENCIA AL CORTE
En un principio, el equipo de corte directo fue diseñado por Cuadrado (1998) para controlar y mantener por
separado la presión del aire y la presión del agua que se aplica a una muestra de suelo, esto con el fin de
realizar ensayos de corte directo con succión controlada durante el ensayo, pero se realizaron una
modificaciones por Felizzola (2010). El equipo se compone de una cámara cilíndrica que puede ser usada
para aplicar presurización (ver Figura 14). Esta cámara de presurización tiene un diámetro externo de 27.5
cm y una altura de 17.5 cm (Felizzola, 2010). La caja de corte va al interior de la cámara presurizada y sus
dimensiones son de 5 cm por 5cm con una altura de 3.5 cm. La presión de aire en los vacíos de la muestra
se controla mediante un panel de control de presiones por medio del software LabVIEW de National
Instruments, esto permite mantener constante la presión; de igual forma sucede con el control de la presión
del agua a través de una válvula que regula el paso del agua (Felizzola, 2010).
Figura 14. Vista superior de la cámara cilíndrica del equipo de corte directo.
6
7
8
9
10
11
12
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Den
sid
ad s
eca
(KN
/m³)
Humedad (%)
Indeformada PN
Natural PN
Seco PN
Hnatural O
RHúmeda O
RSeca O
Sr=80%
Sr=90%
Sr=100%
Celda de carga
horizontal Motor de
fuerza
Caja de corte
Cerámica
Cámara cilíndrica
de presurización
16
El esquema general del equipo se puede ver en la Figura 15. Este compone de dos celdas de carga, una que
controla la fuerza normal y otra que registra la fuerza horizontal (desplazamiento y resistencia al corte). El
pistón que aplica la carga normal está sujeto a un medidor del desplazamiento vertical que registra los
desplazamientos desde que el pistón toca la muestra hasta el esfuerzo normal aplicado. Esto ayuda a
controlar que el consolidómetro neumático este en correcto funcionamiento. Este consolidómetro consta de
una membrana a la que se aplica aire que es controlado con las válvulas del panel de control, esta presión
se monitorea con el software y la celda de carga normal (Felizzola, 2010). El motor de fuerza aplica la fuerza
horizontal y tiene una capacidad de 500 kgf y la celda de carga horizontal registra el esfuerzo cortante. El
equipo de corte también sirve para realizar ensayos de consolidación.
Figura 15. Esquema general del equipo de corte directo.
4.1 Ensayo de resistencia al corte
Para seguir estudiando el comportamiento mecánico de este suelo, se realizaron tres ensayos de corte directo
a los cilindros de muestras con las humedades óptimas de cada rama y la humedad natural (38.8%, 65.3%
y C-78%). Las condiciones para estos ensayos fue de trabajar con los esfuerzos totales, por lo tanto sería un
ensayo no drenando con humedad constante con una velocidad de corte de 0.03 mm/min para C-78% y
65.3%. En cambio, para 38.8% se usó la misma velocidad usada por Hernández (0.1 mm/min). Los esfuerzos
normales aplicados, también son los mismos que uso Hernández (50, 100 y 150 KPa). El desplazamiento
máximo en el corte fue de 9 mm.
Como se explicó anteriormente, los cilindros de muestra se tallaron a dimensiones de 5 cm por 5 cm con
una altura de 3 cm. Las muestras de C-78% y 65.3% fueron fáciles de tallar, puesto que estos cilindros de
muestras eran bastante rígidos y se notaba que había cohesión entre las partículas. A excepción de 38.8%,
el cilindro de muestra era bastante delicado y se desintegraba con facilidad, pues para esta rama, el material
se visualizaba como una arena y tendía a comportarse también como una. Además, el cilindro era tan frágil
que la humedad contenida en este se evaporaba bastante rápido. Luego se colocaba la muestra tallada en el
Cámara cilíndrica
de presurización
Celda de carga normal
Medidor de desplazamiento
vertical Pistón de carga normal
Consolidómetro
neumático
Celda de carga
horizontal Motor de fuerza
17
interior de la caja de corte y se sellaba la cámara de presurización rápidamente para evitar perdida de agua
en la muestra. En el software se asignaba la carga normal y la velocidad de corte, también se verificaba el
correcto funcionamiento de las celdas y se corría el ensayo.
4.2 Resultados
Los resultados se muestran en la Figura 16, donde se muestra el esfuerzo cortante en relación al
desplazamiento de corte y con respecto al esfuerzo normal. Se observa que la resistencia al corte aumenta a
medida que aumenta el esfuerzo normal. En la mayoría, al final de casi los 8 mm es donde se alcanza los
máximos esfuerzos cortantes. No se logra ver esfuerzos residuales. En la Tabla 6 se pueden ver más a detalle
los resultados de estos ensayos de resistencia al corte, donde también se hace una comparación con los
resultados de Hernández.
Desplazamiento horizontal (mm) σn (KPa)
Figura 16. Resultados de los ensayo de corte directo para a) 38.8%, c) 65.3 y e) C-78%.
0
100
200
300
0 2 4 6 8 10
τ (KPa)
50 kPa
100 kPa
150 kPa
y = 1,4653xR² = 0,9332
0
100
200
300
0 50 100 150 200
τ (KPa)
0
100
200
300
400
0 2 4 6 8 10
50 kPa
100 kPa
150 kPa
y = 0,491x + 281,01R² = 0,8702
0
100
200
300
400
0 50 100 150 200
0
100
200
300
400
0 2 4 6 8 10
50 kPa
100 kPa
150 kPa
y = 0,4256x + 245,53R² = 0,975
0
100
200
300
400
0 50 100 150 200
a) b)
c) d)
e) f)
18
4.3 Comparación resultados de corte directo
Para las muestras de 65.3% y C-78% se puede ver altos valores de cohesión de 245 a 281 KPa, estos difieren
con los resultados de Hernández puesto que sus muestras eran en condición saturada y al estar así, la
cohesión disminuye hasta estar cerca de cero. Pero los ángulos de fricción tienden a ser idénticos, en este
caso varían entre 23 y 26° y los saturados entre 26 y 28°. Con respecto a los esfuerzos cortantes máximos,
se tiene altos valores que van desde 307 a 350 KPa mientras que los de Hernández van desde 81 a 101 KPa.
Como lo afirma Hernández: “el comportamiento mecánico observado da prueba de la existencia de una
estructura ligeramente cementada cuando se encuentra en estado indeformado y compactado sin secado
previo (Herrera, 2005; Lizcano et al., 2006)”.
Tabla 6. Comparación de los resultados de resistencia al corte entre a) Hernández, 2016 y b) esta investigación.
Muestra τmáx
(KPa)
φ
(°)
Cohesión
(KPa)
CH38,8 132 42,1 0
CN65,3 81,8 27,3 4,8
Indeformada 101,2 26,9 25,1
Muestra τmáx
(KPa)
φu
(°)
Cohesión
(KPa)
CV 38,8 239,4 55,7 0
CV 65,3 349,2 26,2 281
CV 80,0 307,4 23,1 245,5
a) Condición saturado b) Condición humedad constante
La muestra de 38.8% no presenta cohesión pero si un no normal ángulo de fricción de 55°. Aunque no es
muy seguro el resultado del ángulo se puede confirmar lo que anteriormente se dijo, se tiende a comportar
como un material arenoso. Al secar esta muestra hasta su mínima humedad y después re humedecer, se
cambia por completo las propiedades granulométricas y plásticas de este material.
5. CONCLUSIONES
Con respecto a las propiedades físicas:
El material secado al aire y vuelto a rehumedecer cambia sus propiedades por completo afectando
su granulometría y plasticidad, al final parece una arena;
El material secado gradualmente, aún conserva su consistencia limosa-arcillosa (MH-OH,
Hernández);
Para cada material preparado de esas dos formas, se muestra un comportamiento diferente entre
cada uno de estos y convirtiéndose en dos suelos diferentes;
De cada preparación del suelo se obtuvo una curva de compactación, para el secado gradual a
RHúmedo y para el secado al aire y volver a rehumedecer RSec;
Se muestra que a mayor humedad menor es la densidad seca, entonces para 78, 65.3 y 38.8% se
tiene 8.1, 8.97 y 10.94 KN/m3 respectivamente;
Con respecto al comportamiento mecánico:
Las curvas de compactación Proctor y Oedométrica son semejantes en algunos puntos. Pero para la
rama húmeda, se necesita un mayor esfuerzo para llegar a los puntos de densidad proctor;
Para el punto óptimo de RSeca faltó más cantidad de suelo al momento de la precompactación, esto
con el fin de asegurar que llegue a la densidad proctor.
La humedad natural compactada presenta comportamientos asintóticos después de la segunda etapa.
19
Se muestra que el material tiene una alta resistencia la corte en condición de humedad constante,
los ángulos de fricción que son semejantes a los obtenidos por Hernández, a excepción de CV 38.8,
donde el ángulo es bastante alto y se necesitaría realizar otros ensayos para ver si es ese realmente
el resultado.
6. RECOMENDACIONES
Respecto a la compactación:
Disminuir el diámetro del cilindro oedométrico, esto con el fin de alcanzar mayores esfuerzos. Se
propone un cilindro interior de PVC que permita la salida de agua y también ayude a extraer el
cilindro de muestra de forma intacta (para el caso de cilindros frágiles como los de RSeca);
Añadir medidores o sensores para control de humedad y succión;
Para futuras investigaciones, con estas cenizas volcánicas, estudiar el comportamiento a la
compactación con otros equipos, por ejemplo, proctor modificado, triaxial monolítico, triaxial
GCTS o hollow cylinder.
Respecto a la resistencia al corte:
Realizar ensayos de resistencia al corte con las otras capacidades del equipo de corte como son:
control de succión; presión de agua y presión de aire;
Realizar ensayos de resistencia al corte con las mismas condiciones de esta investigación para
comprobar que el ángulo de fricción de CV 38,80 es realmente 55°;
Realizar ensayos de corte directo con las mismas condiciones de Hernández;
Para investigaciones futuras, realizar ensayos de corte simple.
Otros ensayos:
Realizar ensayos de porosimetría con mercurio para estudiar el comportamiento estructural de los
siete puntos de compactación;
Estudios de microscopía laser para ver la composición y estructura de las muestras;
Utilizar los mismos métodos usados por Hernández para cálculos de la succión y graficar las curvas
de retención de agua;
Diseñar un equipo para medir la succión osmótica.
7. AGRADECIMIENTOS
La escritora quiere dar agradecimiento a la Universidad de los Andes por los laboratorios de Investigación
de suelos donde se desarrolló esta tesis. A Julieth Monroy por su tiempo y dedicación en la parte de manejo
y automatización de los equipos. A Bernardo Caicedo por su conocimiento, ingenio y curiosidad que me
impulsaron a desarrollar este trabajo. Y en especial a mis padres Ana e Iván por darme siempre su apoyo
incondicional a pesar de los obstáculos.
20
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