Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado ...

Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de

Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia

Ana María Latorre Balaguera

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola

Bogotá D.C., Colombia

2020

Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de


Ana María Latorre Balaguera

Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería - Geotecnia

Director (a):

Ph.D., Carol Andrea Murillo Feo

Línea de Investigación:

Relaciones Constitutivas de Suelos, Rocas y Materiales Afines

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola

Bogotá D.C., Colombia

2020

A:

Mis padres Hilda y Claudio, por su amor y

dedicación, porque han sido el motor de mi

vida, los inspiradores de mis sueños y me han

transformado en la mujer que soy.

Mi hermano Andrés, por ser siempre mi luz, mi

guía y el perfecto ejemplo de crecimiento y

fortaleza en cada etapa de la vida.

Daniel, por haberse convertido en una voz de

aliento y motivación, por su amor y la

esperanza que me brinda día a día.

Agradecimientos

En esta sección como autora brindo mis sinceros agradecimientos a las personas que

colaboraron con el desarrollo del presente trabajo, especialmente a:

La ingeniera Carol Andrea Murillo Feo, directora del Trabajo Final de Maestría por su

orientación, guía, apoyo y dedicación que permitieron el adecuado desarrollo de esta

investigación. También agradezco su motivación hacia la realización y culminación de mis

estudios de posgrado.

El ingeniero José Andrés Cruz Wilches, por sus aportes, su acompañamiento, discusión

asertiva y valiosa asesoría en las distintas etapas de desarrollo del trabajo, que

contribuyeron enormemente a mejorar la calidad del mismo.

La ingeniera Angélica Marcela Orjuela Garzón, por su apoyo y soporte en el desarrollo de

la campaña experimental y la cálida amistad que me brindó a lo largo del proceso.

Gracias a Dios por su amor y bondad que me han permitido seguir el camino del desarrollo

personal y profesional, alcanzando metas cada vez mayores.

Resumen

Los suelos residuales derivados de cenizas volcánicas son materiales que exhiben

propiedades particulares que destacan entre las de otros suelos de distinto origen. Si bien

estos materiales cubren aproximadamente el 12% del territorio colombiano, los estudios

disponibles en el país son limitados. El presente trabajo analiza el comportamiento

volumétrico en condiciones de saturación parcial de un suelo derivado de cenizas

volcánicas extraído en el departamento del Cauca en Colombia. Así, se planteó un

programa experimental que comprende el estudio de las propiedades físicas del suelo, la

obtención de las curvas de retención de agua y la determinación de algunos parámetros

de rigidez asociados a los cambios en el esfuerzo y la succión por medio de ensayos

edométricos y de cambio volumétrico con control de succión. Los resultados obtenidos

confirman que se presenta un incremento en el valor del esfuerzo de preconsolidación con

la succión, consistente con las formulaciones propuestas por Alonso, Gens, & Josa (1990)

en su Modelo Básico de Barcelona (BBM) respecto de la curva de cedencia LC de carga-

colapso. Sin embargo, el modelo también supone que las pendientes de las líneas de

compresión normal (NCL) van disminuyendo con los incrementos de succión, mientras que

el suelo de estudio en las condiciones de ensayo planteadas presenta un aumento en su

compresibilidad. Esta respuesta no se ajusta a las formulaciones del BBM y por tanto no

pudo ser evaluada a la luz del mismo.

Palabras clave: suelos residuales derivados de ceniza volcánica, saturación parcial,

comportamiento volumétrico

Resumen y Abstract XI

Abstract

Residual soils derived from volcanic ash are materials that exhibit particular properties that

stand out among those of other soils with different origin. Despite these materials cover

approximately 12% of Colombian area, the studies available there are limited. This

document analyses the volumetric behavior of a volcanic ash soil from Cauca in Colombia

under unsaturated conditions. Thus, an experimental program was carried out including

the study of the physical properties of the soil, the obtaining of its water retention curve and

the determination of some stiffness parameters associated with changes in stress and

suction through controlled-suction oedometric tests. Results obtained confirm that the

material presents increasing of preconsolidation pressure with suction, which is consistent

with formulations proposed by Alonso, Gens, & Josa (1990) in their Barcelona Basic Model

(BBM) respecting on Loading-Collapse yielding curve. Nevertheless, the model also

assumes that the slopes of normal compression lines (NCL) decrease with suction

increments, while the volcanic ash soil studied presents increasing of compresibility. Soil’s

volumetric response does not conform to BBM's formulations. Therefore, it could not be

evaluated through it.

Keywords: Residual soils derived from volcanic ash, unsaturated conditions,

volumetric behavior.

Contenido XIII

Contenido

Pág.

1 Marco Teórico ........................................................................................................... 5 1.1 Suelos derivados de cenizas volcánicas ............................................................ 5

1.1.1 Génesis y clasificación ..................................................................................... 6 1.1.2 Ubicación y distribución geográfica .................................................................. 7 1.1.3 Propiedades físicas ......................................................................................... 8 1.1.4 Propiedades mecánicas ................................................................................. 10 1.1.5 Propiedades volumétricas .............................................................................. 10 1.1.6 Suelos derivados de ceniza volcánica en Colombia ....................................... 11

1.2 Mecánica de suelos en condición de saturación parcial ................................... 13 1.2.1 Succión en el suelo ........................................................................................ 14 1.2.2 Cambios de volumen ..................................................................................... 20 1.2.3 Modelos constitutivos para suelos parcialmente saturados ............................ 22

2 Marco Experimental ............................................................................................... 29 2.1 Recolección de muestras ................................................................................. 29 2.2 Programa experimental .................................................................................... 32

2.2.1 Caracterización física..................................................................................... 33 2.2.2 Fabricación de muestras ................................................................................ 34 2.2.3 Caracterización volumétrica ........................................................................... 40 2.2.4 Caracterización mecánica .............................................................................. 51

3 Análisis y Discusión de Resultados ..................................................................... 53 3.1 Caracterización física ....................................................................................... 53 3.2 Caracterización volumétrica ............................................................................. 58

3.2.1 Curva de retención de agua ........................................................................... 58 3.2.2 Compresibilidad en condición saturada ......................................................... 61 3.2.3 Compresibilidad con succión constante ......................................................... 63 3.2.4 Compresibilidad con succión variable ............................................................ 74

3.3 Caracterización mecánica ................................................................................ 76 3.3.1 Resistencia al corte ....................................................................................... 76

4 Conclusiones y Recomendaciones ....................................................................... 81 4.1 Conclusiones .................................................................................................... 81 4.2 Recomendaciones ............................................................................................ 85

Contenido XIV

Lista de figuras

Pág.

Figura 1-1: Distribución suelos derivados de cenizas volcánicas en Colombia ........... 8

Figura 1-2: Curvas de compresibilidad suelos derivados de cenizas volcánicas

inalterados y remoldeados .............................................................................................. 11

Figura 1-3: Esquema de fases de un suelo parcialmente saturado .......................... 13

Figura 1-4: Esquema psicrómetro de punto de rocío (WP4C)................................... 16

Figura 1-5: Disposición de papel filtro en cada tipo de ensayo ................................. 17

Figura 1-6: Calibración de succión total y matricial papel filtro Whatman No. 42 ...... 18

Figura 1-7: Mecanismos de colapso e hinchamiento en un suelo no saturado ......... 21

Figura 1-8: Variación de las NCL con la succión en el modelo de Alonso et al. (1990)

24

Figura 1-9: Variación de las NCL con la succión en el modelo de Wheeler &

Sivakumar (1995) ............................................................................................................ 24

Figura 1-10: Variación de 𝜐 con 𝑝 y 𝑠 para trayectorias de carga isotrópica según

modelo de Alonso et al. (1990) ....................................................................................... 25

Figura 1-11: Curva de cedencia LC en el espacio de esfuerzos (𝑝, 𝑠) ........................ 27

Figura 1-12: Curvas de cedencia LC y SI en el espacio de esfuerzos (𝑝, 𝑠) ............... 28

Figura 2-1: Localización del sitio de exploración ...................................................... 30

Figura 2-2: Perfil Estratigráfico ................................................................................. 31

Figura 2-3: Muestras para contenido de agua natural .............................................. 31

Figura 2-4: Bloque inalterado ................................................................................... 32

Figura 2-5: Muestras alteradas en lonas .................................................................. 32

Figura 2-6: Consistencia del material ante tallado .................................................... 35

Figura 2-7: Configuración empleada para la fabricación de probetas ....................... 36

Figura 2-8: Muestra fabricada en laboratorio ............................................................ 37

Figura 2-9: Embalaje de las muestras fabricadas en laboratorio .............................. 37

Figura 2-10: Sección irregular de la muestra obtenida por tallado .............................. 38

Figura 2-11: Diferencias de densidad entre capas de compactación .......................... 39

Figura 2-12: Relación densidad seca y contenido de agua especímenes de laboratorio

39

Figura 2-13: Medición de la succión con el higrómetro de punto de rocío .................. 41

Figura 2-14: Configuración mediciones de succión con papel filtro ............................ 42

Figura 2-15: Trayectoria de carga ensayo de consolidación en condición saturada ... 43

Figura 2-16: Configuración ensayo de consolidación en condición saturada .............. 43

Figura 2-17: Consolidómetro de succión controlada ................................................... 45

Contenido XV

Figura 2-18: Succión impuesta para distintas concentraciones de solución PEG ...... 45

Figura 2-19: Cámara de Consolidación ...................................................................... 47

Figura 2-20: Separación entre anillo y muestra por secado del material .................... 47

Figura 2-21: Trayectoria de carga ensayo de consolidación con succión constante .. 49

Figura 2-22: Parafinado de probeta para medición de volumen ................................. 50

Figura 2-23: Configuración de los ensayos de corte directo ....................................... 51

Figura 3-1: Pérdida de plasticidad con el secado ..................................................... 54

Figura 3-2: Curva granulométrica del suelo de estudio ............................................ 55

Figura 3-3: Posición en Carta de Plasticidad ........................................................... 58

Figura 3-4: Curva de retención de agua del suelo de estudio .................................. 59

Figura 3-5: Comparativo de curvas de retención ..................................................... 60

Figura 3-6: Curva de compresibilidad suelo de estudio condición saturada ............. 62

Figura 3-7: Comparativo compresibilidad con suelos inalterados y remoldeados .... 63

Figura 3-8: Comportamiento volumétrico e intercambio de agua en el tiempo para

succión matricial de 100 kPa .......................................................................................... 65

Figura 3-9: Curva de compresibilidad suelo de estudio succión matricial de 100 kPa

66




68

Figura 3-12: Gradiente de succión en la muestra ...................................................... 69



Figura 3-14: Rotura de la manguera de salida de PEG durante el ensayo ................. 70


71

Figura 3-16: Comparación de NCL para distintas condiciones de saturación ............. 73

Figura 3-17: Curva de compresibilidad respecto a la succión .................................... 75

Figura 3-18: Curva de consolidación incremento de esfuerzo para muestra C-1 ....... 77



Figura 3-21: Envolvente de resistencia corte directo .................................................. 79

Contenido XVI

Lista de tablas

Pág.

Tabla 1-1: Técnicas de medición para la succión en el suelo ..................................... 15

Tabla 1-2: Técnicas de Control de Succión................................................................. 19

Tabla 2-1: Identificación de especímenes de ensayo .................................................. 40

Tabla 3-1: Propiedades físicas del suelo de estudio ................................................... 56

Tabla 3-2: Comparación propiedades física suelos derivados de cenizas volcánicas . 56

Tabla 3-3: Resultados de compresibilidad con succión constante .............................. 63

Tabla 3-4: Parámetros de rigidez del suelo compactado derivado de cenizas

volcánicas de estudio ...................................................................................................... 72

Tabla 3-5: Valores de esfuerzo vertical aplicado ......................................................... 76

Introducción

Los suelos residuales derivados de ceniza volcánica cubren aproximadamente el 12% del

territorio colombiano (Lizcano & Herrera, 2006). Estos son materiales que han mostrado

propiedades particulares que los diferencian de otros suelos de distinto origen y hacen

complejo su manejo a nivel de uso ingenieril. En Colombia, la mayor parte de los estudios

encontrados referidos al comportamiento de este tipo de materiales se concentran en la

región del Eje Cafetero, lo cual ha limitado el conocimiento de aquellos depositados en

otras zonas como la Región Pacífica.

Colombia es además un territorio que durante décadas se ha enfrentado al conflicto interno

con grupos armados al margen de la ley que han impactado drásticamente el desarrollo

económico y social del país. Las zonas con mayor incidencia del conflicto corresponden

también a zonas marginadas con altos índices de pobreza, donde el desarrollo de obras

de infraestructura se ha visto truncado por la situación de violencia, dando como resultado

redes viales que no brindan niveles adecuados de transitabilidad ni accesibilidad para

llevar la oferta social del Estado a estas poblaciones vulnerables (Departamento Nacional

de Planeación, 2016). El Cauca por ejemplo, si bien es uno de los departamentos de mayor

riqueza étnica en el país, ocupa el nivel once entre los más pobres con más del 95% de su

población en situación de pobreza y el cuarto lugar entre los departamentos con mayor

área sembrada de cultivos ilícitos debido a la alta incidencia del conflicto.

En el marco de los acuerdos de paz adelantados entre el Gobierno Nacional y los grupos

armados, se han abierto diversas puertas al desarrollo y mejoramiento de la infraestructura

vial en el país por su importancia en la conectividad y crecimiento de los distintos centros

poblados. Así, se busca brindar condiciones que promuevan la construcción de espacios

de paz y faciliten la reinserción social de los integrantes de los grupos armados,

reemplazando los actos violentos y los cultivos ilícitos por actividades productivas legales.

Sin embargo, los recursos destinados son limitados y las inversiones deben ser

2 Introducción

optimizadas, ajustándose a los requerimientos que imponen las condiciones propias de

cada región (Departamento Nacional de Planeación, 2016).

Desde el punto de vista geotécnico, la comprensión de la amplia gama de materiales

térreos es quizá la mayor limitante para el cumplimiento de los objetivos trazados. Suelos

como los que se derivan de la alteración de las cenizas volcánicas se han caracterizado

por presentar inconvenientes en el comportamiento de estructuras geotécnicas al ser

usados como materiales de construcción (Viveros, 2014). Un claro ejemplo de ello, es el

Aeropuerto Internacional del Café en el municipio de Palestina en Caldas, cuya

culminación es incierta luego de una inversión cerca de 300.000 millones de pesos y siete

años de obras detenidas, debido a la falla de los terraplenes propuestos para la

construcción de la pista. De acuerdo con Herrera (2006), la inestabilidad de taludes es uno

de esos problemas geotécnicos característicos de estos suelos volcánicos, ligado

principalmente a la alteración de las condiciones de sitio, como los cambios de humedad

o el remoldeo que se presentan comúnmente en la construcción. Lo anterior, podría

explicar el requerimiento de nuevos diseños que replantearon completamente la obra

modificando la concepción inicial de una meseta artificial con cortes y terraplenes de los

suelos naturales por la construcción de viaductos (Naranjo, 2016; Semana, 2019).

Este trabajo se enfoca al estudio y profundización del comportamiento de los suelos

derivados de cenizas volcánicas en el departamento del Cauca, el cual por la coyuntura

actual del posconflicto se ha convertido en un foco atractivo para las inversiones en materia

de infraestructura, esperando reducir los errores que no han permitido llevar a buen término

obras civiles de gran envergadura como el Aeropuerto del Café por la limitación en los

estudios particulares del material.

El programa experimental tiene como objetivo general analizar el comportamiento

volumétrico de muestras reconstituidas de un suelo no saturado derivado de cenizas

volcánicas proveniente del departamento del Cauca, para lo cual se plantea:

Caracterizar y clasificar físicamente el suelo derivado de ceniza volcánica.

Obtener la curva de retención de agua del suelo de ceniza volcánica reconstituido.

Introducción 3

Determinar los parámetros de rigidez asociados a los cambios en el esfuerzo neto

y la succión de muestras reconstituidas de un suelo derivado de cenizas volcánicas

en trayectorias de carga, descarga y variación en la succión.

Evaluar la posibilidad de analizar la respuesta volumétrica de muestras

reconstituidas del suelo derivado de ceniza volcánica a la luz del Modelo Básico de

Barcelona (Alonso et al., 1990).

Este documento presenta los principales resultados obtenidos del trabajo experimental y

se organiza en cuatro capítulos que se resumen a continuación:

El Capítulo 1 corresponde al Marco Teórico en el cual se presenta un marco referencial

concerniente a los suelos derivados de cenizas volcánicas, su origen, distribución

geográfica y las principales propiedades que los distinguen de otro tipo de materiales.

Además, se introducen los conceptos teóricos fundamentales para el estudio y análisis del

comportamiento del suelo en condiciones de saturación parcial, enfocados principalmente

a los cambios de volumen y las variables que influyen en dichos cambios.

En el Capítulo 2, se describe el Marco Experimental, los materiales y métodos empleados

en el desarrollo del estudio para la caracterización del suelo. Esta se realiza a nivel físico

por medio de la determinación en laboratorio del contenido de agua, gravedad específica,

distribución de tamaños de partículas, peso unitario y límites de Atterberg y, a nivel

volumétrico y mecánico la obtención de curvas de retención de agua, compresibilidad ante

variaciones en las variables tensionales de esfuerzo vertical y succión y su resistencia al

corte. Se incluyen en este numeral los procesos de construcción y acondicionamiento de

las muestras, los equipos empleados, trayectorias de esfuerzos y demás que componen

la metodología de trabajo.

Por su parte, en el Capítulo 3 se expone el Análisis y Discusión de Resultados obtenidos

del programa experimental descrito en el capítulo anterior, en contraste con datos

provenientes de otros estudios realizados a este tipo de materiales a nivel nacional e

internacional. Así se muestra la variabilidad en el comportamiento de los suelos derivados

de cenizas volcánicas y se determina la semejanza alcanzada en la simulación del

comportamiento natural del suelo.

4 Introducción

Finalmente en el Capítulo 4, se sintetizan las Conclusiones y Recomendaciones que se

derivan de este trabajo final de maestría y se exponen algunos comentarios para futuras

investigaciones en el campo.

1 Marco Teórico

El objetivo principal de esta investigación es analizar el comportamiento volumétrico de

muestras de suelo derivado de cenizas volcánicas compactadas en laboratorio en

condiciones de saturación parcial. El presente capítulo se orienta a brindar estado del arte

de los principales avances en el conocimiento del material de estudio, así como los

conceptos básicos fundamentales para la realización de la investigación y la interpretación

de sus resultados.

1.1 Suelos derivados de cenizas volcánicas

Los suelos derivados de ceniza volcánica son aquellos que se forman a partir de la

meteorización de materiales piroclásticos, especialmente sedimentos de cenizas

volcánicas como su nombre lo indica. Estos suelos se encuentran distribuidos alrededor

de todo el mundo y exhiben propiedades peculiares asociadas a las características propias

de su material parental (Shoji, Dahlgren, & Nanzyo, 1993c).

De acuerdo con Takahashi & Shoji (2002), el término “suelo de ceniza volcánica” fue

incorporado a un sistema internacional de clasificación de suelos por primera vez en 1960.

Además, los estudios realizados por Wesley (1974) en Nueva Zelanda son una de las

primeras aproximaciones realizadas en este tipo de materiales, por lo que este país junto

con Japón y Hawái son los lugares en donde este tipo de suelos se han investigado más

intensamente (Betancur-Guirales, Builes-Brand, & Millán-Ángel, 2014). Por lo anterior, es

posible inferir que el conocimiento adquirido de los suelos derivados de ceniza volcánica

es relativamente nuevo en comparación con otros materiales más usuales.

6 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas

Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia

1.1.1 Génesis y clasificación

Los suelos se forman a partir de la alteración de materiales parentales que en este caso

corresponden a depósitos de ceniza producto de eyecciones volcánicas. Estos depósitos

suelen presentar un alto contenido de vidrio volcánico con baja resistencia a la

meteorización química, cuya alteración preferentemente da paso a la formación de

minerales con bajo grado de cristalización (materiales amorfos). Estos en conjunto con la

acumulación de materia orgánica son los procesos pedogenéticos preponderantes del

material de estudio y se conocen como andosolización (Delmelle, Opfergelt, Cornelis, &

Ping, 2015; Shoji, Dahlgren, & Nanzyo, 1993a).

La combinación de factores específicos como el clima, la topografía o la vegetación en un

lugar dado, da como resultado mecanismos únicos que gobiernan la formación del suelo

por andosolización en ese lugar. El régimen climático por ejemplo es el que define la

mineralogía del material resultante y esa aparición preferencial de amorfos, pues la

cristalización de minerales ocurre en ambientes más cálidos y secos (Ugolini & Dahlgren,

2002). De acuerdo con lo anterior, algunos autores diferencian la composición del suelo

en su fracción coloidal, que bajo condiciones húmedas suele estar dominada por complejos

humus-Al y aluminosilicatos pobremente cristalinos tales como alófana e imogolita,

mientras que en climas más secos domina la halloysita. Así entonces, se propone una

clasificación general de los suelos derivados de ceniza volcánica, siendo suelos alofánicos

en el primer caso y suelos no alofánicos en el segundo (Dahlgren et al., 2004; Ugolini &

Dahlgren, 2002).

A pesar de las diferencias mencionadas, Maeda et al., (1983) exponen que el término

“suelos alofánicos” ha sido empleado para referirse a los suelos derivados de cenizas

volcánicas indistintamente de su composición mineralógica. Asimismo, Ugolini & Zasoski

(1979) mencionan “Andosol” y “Andisol” como nombres reconocidos y aceptados para este

tipo de materiales, haciendo alusión al color oscuro que les provee la acumulación de

materia orgánica, mientras que Shoji, Dahlgren, & Nanzyo (1993b) exponen que el color

del suelo resultado de la meteorización, depende de la composición química del depósito

de ceniza, así como indican que hay suelos de origen distinto al de las cenizas volcánicas

que poseen propiedades que los categorizan como andosoles y andisoles (Shoji et al.,

1993c).

Marco Teórico 7

Debido a las diferencias terminológicas que se pueden encontrar en la literatura, a lo largo

de la presente investigación se emplea el término “suelos derivados de ceniza volcánica”

para referirse al material térreo que se origina de la meteorización de depósitos de cenizas

volcánicas, independientemente de su composición o color particular.

1.1.2 Ubicación y distribución geográfica

Si bien las condiciones propias de sitio son fundamentales en la composición mineralógica

del suelo, su lugar de formación es independiente de estas condiciones (Takahashi & Shoji,

2002). La distribución geográfica de estos materiales está exclusivamente ligada a la

localización de los volcanes activos o recientemente inactivos que expulsan el material

parental durante sus erupciones. Por lo mismo, la mayor parte de estos suelos ocurren en

la región que comprende el Cinturón de Fuego del Pacífico, donde se concentra la actividad

volcánica reciente (Ugolini & Zasoski, 1979). Leamy en 1984, (citado por Shoji et al.,

(1993c)), estima un área cubierta por este tipo de suelo de aproximadamente 124 millones

de Ha, lo que corresponde al 0.84% de la superficie terrestre. Por su parte, Delmelle et al.

(2015) mencionan que de acuerdo con la Soil Survey Staff (1999) la cobertura del material

asciende solo a 91 millones de Ha, es decir un 0.7% del total de la superficie. De cualquier

manera, ambas fuentes coinciden en que en países tropicales es donde se desarrollan

entre el 50% y el 60% de los suelos derivados de cenizas volcánicas.

En Colombia, Lizcano & Herrera (2006) encontraron que los depósitos de suelos derivados

de cenizas volcánicas ocupan cerca del 12% del territorio nacional, mayormente en la zona

del Eje cafetero y departamentos como Tolima, Cauca y Nariño en el sur y la región

Pacífico, sin mencionar algunos depósitos aleatorios en la capital y la Orinoquía como se

muestra en la Figura 1-1.

Con un porcentaje pequeño de extensión del material (menor al 1%) a nivel mundial, en

principio parecería que este no representa gran interés científico. No obstante, dado que

grandes densidades de población están asentadas sobre ellos, el estudio de sus

propiedades es fundamental tanto en el campo agrícola como en el desarrollo de

infraestructura (Shoji et al., 1993c). Por este motivo, a continuación se describen algunas

características particulares de este tipo de materiales, haciendo énfasis en aquellas que



son de interés en el campo de la geotecnia y la influencia que su composición químico-

mineralógica tiene en ellas acorde con los estudios realizados en la materia.

Figura 1-1: Distribución suelos derivados de cenizas volcánicas en Colombia

Tomado de (Lizcano & Herrera, 2006)

1.1.3 Propiedades físicas

Los suelos derivados de cenizas volcánicas exhiben ciertas características únicas que no

se encuentran fácilmente en suelos provenientes de otros materiales parentales. Las

propiedades físicas, mecánicas e incluso biológicas tan distintivas que presentan estos

materiales son el reflejo de su composición química y mineralógica, especialmente de los

materiales amorfos que dominan la fracción arcillosa de los suelos alofánicos y la

Marco Teórico 9

acumulación de materia orgánica en los suelos no alofánicos (R. A. Dahlgren, Saigusa, &

Ugolini, 2004; Nanzyo, 2002; Ugolini & Zasoski, 1979). Algunas de estas propiedades

peculiares incluyen:

Baja densidad aparente (bulk)

Consistencia altamente friable

Alta porosidad, plasticidad y permeabilidad

Gran capacidad de retención de agua

En este tipo de suelos, la presencia de vidrio volcánico potencia el desarrollo de depósitos

de tipo alofánico sobre los no alofánicos debido a su alta velocidad de descomposición.

Para la presente investigación, se supone que el suelo de estudio corresponde a un

material alofánico y por tanto, se describen algunas de sus propiedades particulares. Una

exposición mucho más profunda en cuanto a las características intrínsecas de los suelos

derivados de ceniza volcánica y su comparación con las propiedades de materiales más

usuales es presentada por Maeda, Takenaka, & Warkentin (1977).

Anteriormente, se mencionaba que la ocurrencia de estas propiedades particulares en los

suelos derivados de cenizas volcánicas se relaciona con la presencia de materiales como

la alófana, que había sido presentada como un material amorfo o de bajo grado de

cristalización. Sin embargo, de acuerdo con Wesley (2003), estudios microscópicos

posteriores mostraron que estos minerales en realidad presentan formas esféricas, las

cuales forman micro-agregaciones con hilos de imogolita a manera de puentes. Esta

agregación en las partículas, forma agregados de tamaño limo o arena bastante estables

y porosas a la vez, lo cual explica la baja densidad y alta permeabilidad del suelo. Del

mismo modo, estos materiales poseen una superficie específica muy alta, de modo que

tanto la capacidad de retención de agua como la plasticidad del suelo son también

elevadas (Dahlgren, Shoji, & Nanzyo, 1993; Delmelle et al., 2015; Nanzyo, 2002; Shoji,

Dahlgren, et al., 1993b).

Por otra parte, una de las características más peculiares de los suelos derivados de

cenizas volcánicas está dada por los cambios físicos que sufren al ser sometidos a algún

proceso de secado, bien sea al aire o al horno. El secado, según lo explica Kubota (1972)

reduce de forma irreversible la dispersabilidad de las agregaciones de partículas. Así, las



partículas de tamaño limo y arcilla se unen para formar fracciones más grandes,

produciendo una reducción notable en la plasticidad y la capacidad de retención de agua

del material. De acuerdo con Warkentin & Maeda (1974) los cambios producidos por

reducción en el contenido de agua se dan como consecuencia de la presencia de alófana

en el suelo. En pocas palabras, la matriz del suelo cambia con el secado y el material seco

puede ser considerado como un material diferente al inicial (Maeda, Takenaka, &

Warkentin, 1977).

1.1.4 Propiedades mecánicas

Varios de los estudios realizados sobre los suelos derivados de cenizas volcánicas se

enfocan en la determinación de propiedades que son de gran interés en el campo agrario.

Sin embargo, algunos autores han investigado en las propiedades mecánicas del suelo.

Por ejemplo, Rao (1995) y Wesley (2009) reportan alta resistencia al corte en muestras

inalteradas para las cuales se han encontrado valores del ángulo de fricción interna (ϕ’)

superiores a los 30°, aun cuando el material es altamente plástico. Sin embargo, una vez

se ha alterado su estructura original se pierde resistencia y, autores como Jacquet (1990)

han encontrados valores de ϕ’ por debajo de los 15° en muestras de suelo reconstituidas.

1.1.5 Propiedades volumétricas

En cuanto al comportamiento volumétrico, se tiene que con materiales tan porosos las

relaciones de vacíos (𝑒) son muy elevadas y, por tanto los suelos son bastante

compresibles una vez se excede el esfuerzo de pre consolidación. Igualmente, con el

remoldeo se han encontrado algunas variaciones importantes para la relación de vacíos

inicial y la dificultad de identificar el punto de inflexión del esfuerzo de pre consolidación

respecto de muestras inalteradas como se muestra a continuación en la Figura 1-2.

Finalmente, con el secado los decrementos volumétricos que se presentan resultan

mayormente irreversibles a diferencia de los cambios volumétricos presentados en suelos

de otro origen (Jacquet, 1990; T. Maeda et al., 1977; L. Wesley, 2009).

Por lo anterior, se resalta la importancia de estudiar los cambios volumétricos que

presentan estos materiales no solo con la aplicación de carga sino con la variación en el

contenido de agua y por tanto de succión que experimentan en campo.

Marco Teórico 11

Figura 1-2: Curvas de compresibilidad suelos derivados de cenizas volcánicas inalterados y remoldeados

Fuente: Adaptado de (L. Wesley, 2009)

1.1.6 Suelos derivados de ceniza volcánica en Colombia

En Colombia, se han desarrollado algunas investigaciones sobre los suelos derivados de

cenizas volcánicas. Por ejemplo Herrera (2006) trabajó en una adecuada caracterización

de algunas de las propiedades de suelos extraídos en las ciudades de Manizales, Armenia

y Pereira. Allí, se destaca el estudio de las implicaciones del uso de estos materiales en el

desarrollo de algunas obras de ingeniería, el análisis de su resistencia al corte y

comportamiento deformacional por consolidación. Allí se encontró que el suelo estudiado

ante decrementos en la succión (humedecimiento) presenta potencial de colapso leve.

Por su parte, García-Leal & Colmenares (2011) estimaron la relación resistencia al corte-

succión mediante diferentes modelos de predicción para dos capas de suelos derivado de

cenizas volcánicas en el departamento del Quindío. Los datos experimentales mostraron

que es posible hacer predicciones adecuadas sobre dicho comportamiento. Además se

encontró que el secado (incremento en la succión) produjo el incremento de la resistencia

al corte, con reducciones en el valor de la cohesión para los dos suelos ensayados y tantos

aumentos como disminuciones en los ángulos de resistencia al corte pico. En esta misma

línea (Betancur-Guirales et al., 2014) estudiaron la variación de la resistencia al corte de

suelos de la ciudad de Pereira respecto al grado de saturación, donde se encontraron



variaciones significativas en la cohesión y en la fricción del material. Esto indica que se

pueden presentar comportamientos erráticos en el material debido a los constantes

cambios en el contenido de agua del suelo. Por lo mismo, los autores recomiendan un

análisis más profundo de la resistencia a corte en función de la succión.

Viveros (2014) trabajó con suelos del municipio de Palestina en el departamento de

Caldas, analizando los cambios en la resistencia al corte del suelo dados por los procesos

de compactación y las condiciones iniciales de la muestra, encontrando que para

densidades secas constantes la resistencia del material se incrementa a mayores valores

de succión debido al aporte de las tensiones capilares. Finalmente, Naranjo (2016) quien

también trabajó con los suelos de Palestina, analizó la influencia de los ciclos de

humedecimiento-secado en el comportamiento volumétrico de los suelos compactados,

encontrando que existe un aporte importante de la succión en los cambios de volumen y,

que la magnitud de estos está ligada a los ciclos de secado-humedecimiento. De la misma

manera, se concluye que los ensayos edométricos convencionales no son base

experimental suficiente para entender completamente el comportamiento geomecánico del

material y es importante profundizar en los estudios sobre el comportamiento de los suelos

derivados de ceniza volcánica en condiciones de saturación parcial.

En Colombia el estudio de los suelos de ceniza volcánica parece estar limitado a la zona

central del país en departamentos que pertenecen al Eje Cafetero, mientras que los

depósitos localizados al sur oeste del país, en el Pacífico, así como los presentes

aleatoriamente en otros lugares del territorio parecen no haber sido investigados. Por este

motivo, la presente investigación busca profundizar en la comprensión de las propiedades

y el comportamiento de un depósito de suelo del departamento del Cauca en la región

pacífica colombiana, especialmente en lo que se refiere al comportamiento en condiciones

de parcial saturación, donde se puedan controlar no solo trayectorias de esfuerzos sino

también de succión.

Por lo mismo, en el siguiente apartado se da cuenta de los conceptos más importantes en

el estudio y análisis del comportamiento no saturado de los suelos.

Marco Teórico 13

1.2 Mecánica de suelos en condición de saturación parcial

Los suelos son materiales térreos que se originan en los macizos rocosos como producto

de su descomposición. Estos procesos forman sistemas de partículas minerales sólidas

que se organizan dejando espacios vacíos (poros) que bajo condiciones ambientales

naturales pueden estar ocupados por agua o aire. De esta manera, un elemento de suelo

se compone de tres elementos o fases referidas a cada uno de los estados fundamentales

de la materia. Las partículas minerales representan el estado sólido y el agua y aire que

ocupan los espacios vacíos, corresponden a los estados líquido y gaseoso

respectivamente (Lu & Likos, 2004).

La ausencia total de aire en los vacíos entre partículas da como resultado un sistema

bifásico en el que el suelo se compone únicamente por sólidos y el líquido de poros,

condición que se denomina saturación total. En ese orden de ideas, la saturación parcial

corresponde a la condición en la cual el sistema cuenta con las tres fases como se

esquematiza a continuación en la Figura 1-3.

Figura 1-3: Esquema de fases de un suelo parcialmente saturado

La presencia de aire en los vacíos entre partículas lleva a la generación de un menisco en

la interfaz de los fluidos (agua – aire) causado por la tensión superficial del líquido. Este

fenómeno promueve el almacenamiento y la retención de agua en los poros del suelo,

razón por la cual es posible encontrar suelos saturados aún por encima del nivel freático.

En la mecánica de suelos parcialmente saturados, el estudio de estos procesos de



retención de agua se fundamenta a través de una nueva variable tensional denominada

succión (Barrera, 2002).

1.2.1 Succión en el suelo

La succión suele referirse a la capacidad del suelo para retener agua en sus poros. Es

decir, la cantidad de energía requerida para que el líquido pueda desplazarse de un punto

a otro o ser removido de la matriz de suelo (Colmenares, 2002). Ridley (1993) nombró

succión total a la demanda energética para remover el agua por evaporación, de manera

que se relaciona ampliamente con la humedad relativa del medio adyacente a la superficie

del agua (Naranjo, 2016; Perez, 2017).

En el suelo, la succión total (𝜓) corresponde a la suma de dos componentes, una matricial

(𝑢𝑎 − 𝑢𝑤) que se define como la diferencia entre la presión del aire y la presión del agua

en los poros y una componente osmótica (𝜋) relacionada con el equilibrio de concentración

de las sales disueltas en el agua intersticial (Colmenares, 2002; Naranjo, 2016).

𝜓 = (𝑢𝑎 − 𝑢𝑤) + 𝜋 (1-1)

De acuerdo con Perez (2017), el comportamiento de un suelo parcialmente saturado está

referido a la componente de succión matricial, la cual genera un incremento en los

esfuerzos efectivos dado por la atracción entre las partículas minerales sólidas que se

juntan entre sí por la diferencia de presiones en la interfaz agua-aire.

A pesar de la importancia de la medición de la succión en suelos para el estudio de su

comportamiento, no siempre es posible acceder a ensayos de resistencia o deformabilidad

que permitan controlar esta variable. Por este motivo, en la práctica diaria de la ingeniería

se emplean modelos constitutivos que permiten realizar aproximaciones de las

propiedades mecánicas de los suelos. Por ejemplo, las curvas de retención de agua

describen la relación entre la succión y el contenido de agua o la saturación del material.

A continuación, se hace un breve recuento de las técnicas empleadas en la medición de

la succión del suelo que permiten el trazado de las curvas de retención de agua

correspondientes.

Marco Teórico 15

1.2.1.1 Técnicas de medición de la succión

La curva característica también llamada curva de retención de agua de un material térreo

presenta la relación entre su contenido de agua y la succión. Esta se puede presentar

indistintamente en términos de la succión total o la succión matricial, de acuerdo con la

técnica de medición empleada. Igualmente, puede ser trazada siguiendo trayectorias de

humedecimiento o de secado, aunque entre ellas se encuentra cierta diferencia conocida

como histéresis.

Ridley & Wray (1995) presentan una compilación de distintas técnicas de medición de la

succión en el suelo tanto directas como indirectas, tal y como se muestra a continuación

en la Tabla 1-1.

Tabla 1-1: Técnicas de medición para la succión en el suelo

Método Componente de

succión Rango de medición

(kPa) Tiempo

Psicrómetro de termocupla

Total 100 – 7 500 Minutos

Psicrómetro de termistor/ transistor

100 – 71 000 Minutos

Papel filtro (sin contacto)

Total 400 – 30 000 7 días

Papel filtro (en contacto)

Matricial 30 – 30 000 7 a 14 días

Bloque poroso Matricial 30 – 3 000 Semanas

Probador de conductividad térmica

Matricial 0 – 300 Semanas

Plato de succión Matricial 0 – 90 Horas

Placa de presión Matricial 0 – 1 500 Horas

Tensiómetro estándar

Matricial 0 – 100 Minutos

Tensiómetro osmótico

Matricial 0 – 1 500 Horas

Tensiómetro del Imperial College

Matricial 0 – 1 500

Minutos

Fuente: Adaptado de (Ridley & Wray 1995)

Se tiene que el rango de succiones más amplio está dado por el método del papel filtro, la

desventaja es que se requiere un largo período de estabilización. Además, para obtener

puntos de la curva de retención de agua en todo el rango es recomendable combinar

distintos métodos. Cabe mencionar que para la obtención de la curva de retención de agua



del suelo de estudio en la presente investigación únicamente se contempla la utilización

de la técnica del papel filtro y el método del psicrómetro de punto de rocío. Por esta razón,

a continuación solo se describen brevemente estas dos metodologías de medición de

succión en el suelo.

1.2.1.1.1 Método del psicrómetro de punto de rocío

Este método estima la succión total de una muestra de suelo en un amplio rango bajo

condiciones isotérmicas en un contenedor cerrado. La estimación de la succión se hace

con base en la técnica del punto de rocío de un espejo frío (chilled mirror), donde se

equilibra la fase líquida del agua de poros con el vapor de agua en el aire que se encuentra

sobre la muestra en la cámara. Se emplea un dispositivo de enfriamiento para formar una

gota de rocío en el espejo y se usa un termómetro infrarrojo para medir la temperatura de

la muestra. Así, tanto el punto de rocío como la temperatura de la muestra se utilizan para

determinar la humedad relativa sobre la muestra de suelo dentro de la cámara cerrada y

estimar la succión total con base en la Ley Psicrométrica (Bulut & Leong, 2008). A

continuación, en la Figura 1-4 se muestra un esquema del equipo empleado en esta técnica

de medición de succión.

Figura 1-4: Esquema psicrómetro de punto de rocío (WP4C)

Fuente: Tomado de (Bulut & Leong, 2008)

1.2.1.1.2 Método del Papel Filtro

Es el único método que permite la estimación de la succión total y matricial de una muestra

de suelo, dependiendo de las características de contacto entre este y la muestra de interés.

Durante el ensayo se va a presentar un intercambio de agua entre la muestra y el papel

filtro hasta que la succión en ambos alcance el equilibrio, lo cual puede tardar varios días.

Con el contenido de agua del papel y la curva de calibración succión-contenido de agua

Marco Teórico 17

del mismo se puede estimar el valor de la succión total en caso que no haya contacto

directo y matricial para el caso contrario. A continuación en la Figura 1-5, se esquematizan

las condiciones de contacto entre el papel filtro y la muestra de suelo.

Figura 1-5: Disposición de papel filtro en cada tipo de ensayo

Fuente: Modificado de (Bulut & Leong, 2008)

En la Figura 1-6, se muestra la curva de calibración desarrollada por Leong, He, & Rahardjo

(2002), para el papel filtro Whatman No. 42 que será empleada en la investigación, la cual

presenta el siguiente sistema de ecuaciones para la estimación de la succión, donde 𝜓

representa la succión y 𝑤𝑓 el contenido de agua del papel filtro.

Succión matricial:

log𝜓 = 2.909 − 0.0229𝑤𝑓 𝑤𝑓 ≥ 47

log𝜓 = 4.945 − 0.0673𝑤𝑓 𝑤𝑓 < 47 (1-2)

Succión total:

log𝜓 = 8.778 − 0.222𝑤𝑓 𝑤𝑓 ≥ 26

log𝜓 = 5.31 − 0.0879𝑤𝑓 𝑤𝑓 < 26 (1-3)



Figura 1-6: Calibración de succión total y matricial papel filtro Whatman No. 42

Fuente: Modificado de (Leong et al., 2002)

En condiciones naturales los suelos están expuestos a constantes ciclos de

humedecimiento y secado dados por las condiciones climáticas del lugar donde se

encuentren depositados. De esta manera, el contenido de agua y por tanto la succión en

la matriz se encuentran en constante cambio, lo cual influye en los esfuerzos efectivos

generando variaciones en la resistencia al corte y deformaciones volumétricas en el suelo.

Por este motivo, la evaluación del comportamiento mecánico de los suelos en condiciones

de saturación parcial requiere no solo de la medición de los valores de succión sino del

control de la misma en la realización de distintos ensayos de laboratorio. A continuación

se describen algunas técnicas que permiten cumplir con este fin.

1.2.1.2 Técnicas de control de succión

En la literatura, se reportan principalmente cuatro (4) técnicas convencionales para el

control de la succión en suelos que pueden ser adoptadas en distintos tipos de ensayos.

Estas técnicas consisten en la traslación de ejes, la columna de agua, el equilibrio de vapor

y la técnica osmótica, A continuación en la Tabla 1-2 se muestran los rangos y la

componente de succión que cada técnica puede imponer a una muestra de suelo.

Marco Teórico 19

Tabla 1-2: Técnicas de Control de Succión

Técnica Rango Componente de succión

impuesta

Traslación de ejes 0 – >500 kPa Matricial

Columna de agua 0 – 80 kPa Matricial

Equilibrio de vapor

0 – 1 000 kPa (soluciones salinas)

> 150 000 kPa (soluciones ácidas)

Total

Osmótica 0 – 1000 kPa Matricial

Fuente: Adaptado de (Blatz, Cui, & Oldecop, 2008; Pierre Delage, Romero, & Tarantino, 2009; Vanapalli, Nicotera, & Sharma, 2008)

Aunque en el presente trabajo no se van a describir al detalle cada una de las técnicas de

control mencionadas, si se van a realizar algunos comentarios acerca de las limitaciones

para el empleo de cada una. En primer lugar, se tiene que la técnica menos empleada en

ensayos de laboratorio es la columna de agua, ya que permite trabajar con rangos de

succión bajos y requiere de constantes ajustes para mantener la succión debido al cambio

volumétrico del agua con la temperatura. Por su parte, la técnica de traslación de ejes, es

una de las más empleadas y ha sido fundamental en el desarrollo de modelos que analizan

el comportamiento mecánico de los suelos parcialmente saturados. Sin embargo, la

principal limitante de esta técnica es la imposición de la succión por medio de aire a una

presión distinta a la atmosférica de manera que no se representan adecuadamente las

condiciones reales en campo (Vanapalli et al., 2008).

Por su parte las técnicas de equilibrio de vapor y osmótica están referidas al control de la

humedad relativa en los especímenes de suelo, por lo que permiten el control de la succión

más no proveen directamente el valor de la misma. La técnica de equilibrio de vapor crea

un ambiente controlado de succión en un recipiente cerrado en el que se produce un

intercambio de agua entre la muestra y el vapor del ambiente, de modo que la técnica

permite el control de la succión total del suelo. Estas soluciones químicas empleadas

pueden ser soluciones salinas saturadas o soluciones ácidas no saturadas. En el caso de

la técnica osmótica, la muestra de suelo se pone en contacto con una membrana

semipermeable bajo la cual circula una solución acuosa de polietilenglicol (PEG), la cual

toma o brinda agua a la muestra por procesos de osmosis. Este intercambio de agua entre

el suelo y la solución, permite el control de la succión matricial en la muestra, aunque

también requiere tiempos de estabilización muy largos (Blatz et al., 2008).



De acuerdo con lo anterior, se tiene que las técnicas que emplean soluciones salinas

representan de una manera más fiel las condiciones de presiones reales de campo en

comparación con técnicas como la traslación de ejes. Por lo mismo, en esta investigación

se empleará la técnica osmótica en el control de la succión matricial para la evaluación del

comportamiento mecánico del material de estudio en laboratorio.

El comportamiento de los geomateriales estudiado a la luz de la mecánica de suelos en

condiciones de saturación bien sea parcial o total involucra, bajo sus enfoques particulares,

el análisis de tres problemas fundamentales: la resistencia al corte, el flujo de agua en el

suelo y los cambios volumétricos, siendo este último el fenómeno más característico de

del comportamiento del suelo en estado no saturado (Barrera, Garnica, & Martínez, 2004).

1.2.2 Cambios de volumen

Los cambios de volumen en el suelo pueden definirse como el cambio de su relación de

vacíos en respuesta a un esfuerzo aplicado (Fredlund, Rahardjo, & Fredlund, 2012). Por

lo mismo, para describir este comportamiento volumétrico es necesario primero identificar

esas variables tensionales que lo producen. A diferencia de los suelos saturados, se ha

encontrado que las deformaciones volumétricas para los suelos en condiciones de

saturación parcial pueden estar relacionadas con cualquiera de dos variables: el esfuerzo

normal neto (𝜎 − 𝑢𝑎), que representa el exceso de esfuerzo total por encima de la presión

del aire y la succión matricial definida anteriormente (Alonso, Gens, & Hight, 1987; Perez,

2017; Velosa, 2006).

Según lo explican Lu & Likos (2004), los fenómenos de deformación más importantes en

los suelos no saturados incluyen la compactación, la consolidación, el colapso y el

hinchamiento del suelo. Sin embargo, el comportamiento deformacional en estos

materiales suele estar regido por los cambios en la succión, que se dan fácilmente con la

variación del contenido de agua o el grado de saturación del material. De esta manera, el

estudio de los mecanismos de colapso e hinchamiento son de mayor interés(Barrera et al.,

2004).

Marco Teórico 21

El colapso corresponde a una reducción volumétrica irreversible producida por una

disminución en los niveles de succión mientras se conserva un valor de esfuerzo neto

constante. Durante el colapso se presenta una falla en el contacto de las partículas y un

deslizamiento súbito entre las mismas, lo que da como resultado una estructura de suelo

más densa. Por su parte, el hinchamiento corresponde a un incremento de volumen que

se produce mediante el humedecimiento del material a un esfuerzo neto constante, que

usualmente está dado por la expansión de los minerales de arcilla presentes en la matriz

de suelo que cambian su tamaño cuando absorben agua (Herrera, 2006).

La evidencia experimental, ha mostrado que los suelos no saturados pueden presentar

mecanismos tanto de colapso como hinchamiento, de acuerdo con el nivel de esfuerzo de

confinamiento que experimente (Barrera, 2002). Este comportamiento, se muestra

esquemáticamente en la Figura 1-7, donde se muestran las curvas de compresibilidad de

un mismo material para una condición de saturación parcial (contenido de agua natural) y

para la condición de saturación total. Con la disminución en la succión, la relación de vacíos

en el suelo pasará de estar dada por la curva de contenido de agua natural a la curva

saturada. Cuando el esfuerzo de confinamiento esté por debajo del punto en que ambas

curvas se cortan el material presentará hinchamiento y para esfuerzos que sobrepasen

ese punto se presentará colapso.

Figura 1-7: Mecanismos de colapso e hinchamiento en un suelo no saturado

Fuente: Tomado de (Barrera, 2002)



La caracterización de los cambios de volumen en los suelos se realiza con frecuencia a

través de ensayos edométricos. El desarrollo de las técnicas de control de succión y el

perfeccionamiento de celdas de consolidación que integran estas técnicas ha permitido la

obtención de información más precisa respecto al efecto combinado de las trayectorias de

carga-descarga y succión que involucran fenómenos de humedecimiento y secado (Alonso

et al., 1987). Por lo mismo, en esta investigación se realizarán ensayos edométricos con

control de succión, que permitirán determinar el comportamiento esfuerzo-deformación de

los suelos de estudio en condiciones de saturación parcial.

En la práctica de la ingeniería es fundamental no solo el entendimiento sino también la

predicción de este comportamiento esfuerzo-deformación en los suelos. Para ello, los

modelos constitutivos resultan útiles en la reproducción de la respuesta deformacional del

material ante cambios en las variables de esfuerzos.

1.2.3 Modelos constitutivos para suelos parcialmente saturados

Varios modelos han sido establecidos a lo largo del tiempo para representar distintos

comportamientos del suelo en condición de saturación parcial, tales como la

compresibilidad o la resistencia al corte englobados dentro de un mismo marco referencial

que sea capaz de reproducir características importantes de su comportamiento, entre los

que se destacan el colapso, hinchamiento, rigidización con la succión, entre otros (Wheeler

& Sivakumar, 1992).

Georgiadis (2003) llevó a cabo una revisión de varios modelos constitutivos para suelos no

saturados reportados en la literatura, que en principio se pueden dividir en dos categorías:

modelos elásticos y modelos elastoplásticos. Los primeros resultan poco convenientes

dado que no hacen distinción alguna entre las deformaciones reversibles e irreversibles y

por tanto, solo serían aplicables en casos muy particulares. Igualmente, los modelos

elastoplásticos se dividen de acuerdo con las variables de esfuerzo adoptadas (totales o

efectivas) y el potencial de hinchamiento que presente el material, de modo que pueden

ser expansivos y no expansivos. Los suelos que presentan hinchamiento ligero a

moderado se analizan a la luz de los modelos no expansivos, tal y como se describe más

adelante en la presente investigación.

Marco Teórico 23

Dentro de su revisión, Georgiadis (2003) también encontró que los tres modelos

elastoplásticos no expansivos más conocidos son aquellos propuestos por Alonso, Gens,

& Josa (1990), Josa, Balmaceda, Gens, & Alonso (1992) y Wheeler & Sivakumar (1995).

Estos modelos trabajan con variables de esfuerzos totales y se basan en los modelos de

estado crítico desarrollados para suelos saturados y en la existencia de una curva de

cedencia LC de carga-colapso (Loading-Collapse, por sus siglas en inglés) que se expande

con el incremento de la succión, permitiendo reproducir mecanismos de colapso,

rigidización e incremento en la resistencia con la succión.

Los tres modelos mencionados proponen una superficie de cedencia en un espacio de

esfuerzos (𝑝, 𝑞, 𝑠). Donde 𝑝, corresponde al esfuerzo neto promedio, 𝑞 corresponde al

esfuerzo desviador y 𝑠 representa la succión matricial. Los incrementos de succión

incrementan el valor del esfuerzo de preconsolidación del material y, generan variaciones

en la forma y posición de las líneas de compresión normal NCL (Normal Compression Line,

por sus siglas en inglés) en el espacio 𝑒 − log 𝑝. Estas líneas para la mayoría de los suelos

no son lineales como las suponen los modelos de Alonso et al. (1990) y Wheeler &

Sivakumar (1995). Contrario a esto, Josa et al. (1992) proponen que para bajos niveles de

esfuerzo de confinamiento, las NCL del suelo no saturado divergen de la NCL del suelo

saturado y convergen cuando el esfuerzo de confinamiento crece y supera un valor límite

donde se produce el máximo colapso (Georgiadis, 2003).

Aun cuando los modelos de Alonso et al. (1990) y Wheeler & Sivakumar (1995), suponen

NCL lineales, el primero de ellos parte del supuesto que con los incrementos de succión

las líneas divergen infinitamente de la NCL del suelo completamente saturado. De esta

manera, los coeficientes 𝜆 que son parámetros de rigidez del material asociado a la

compresión en un espacio 𝑣 − ln 𝑝 y corresponden a las pendientes de las líneas NCL van

disminuyendo con los incrementos de succión de acuerdo a una relación exponencial

asintótica 𝜆(𝑠), lo cual refleja un potencial de colapso cada vez mayor tal y como se

muestra en la Figura 1-8 y una rigidización del material con la succión que no es infinita.

Por su parte, Wheeler & Sivakumar (1995) no presentan relaciones matemáticas para

determinar los valores 𝜆(𝑠). Esto, le da flexibilidad al modelo y permite representar el

comportamiento real del suelo, donde es posible obtener incrementos en el valor de los

coeficientes 𝜆(𝑠) de acuerdo con los niveles de confinamiento que se estén trabajando



como se muestra en la Figura 1-9. Sin embargo, la ausencia de estas relaciones limita la

aplicación de este modelo a trayectorias de esfuerzo con succión constante.

Figura 1-8: Variación de las NCL con la succión en el modelo de Alonso et al. (1990)

Fuente: Modificado de (Alonso et al., 1990)

Figura 1-9: Variación de las NCL con la succión en el modelo de Wheeler & Sivakumar (1995)

Fuente: Modificado de (Wheeler & Sivakumar, 1995)

Marco Teórico 25

En esta investigación, de acuerdo con el comportamiento de colapso leve encontrado por

Herrera (2006) se parte de la hipótesis que el comportamiento del suelo de estudio puede

ser reproducido por el modelo de Alonso et al. (1990) conocido como Modelo Básico de

Barcelona (BBM, por sus siglas en inglés). Así pues, en el siguiente apartado se amplían

brevemente las formulaciones de dicho modelo.

1.2.3.1 Modelo básico de Barcelona (BBM)

El BBM describe el comportamiento de los suelos parcialmente saturados a través de un

marco de endurecimiento plástico usando dos variables de esfuerzos independientes, que

son el esfuerzo neto promedio y la succión matricial. Para estados de esfuerzos isotrópicos

el modelo propone una variación del volumen específico (𝜈) para trayectorias

incrementales de 𝑝 y 𝑠 constante que es análoga al comportamiento estudiado para los

suelos saturados como se muestra en la Figura 1-10 y está dado por la expresión:

𝜈 = 𝑁(𝑠) − 𝜆(𝑠) ln𝑝

𝑝𝑐 (1-4)

Donde 𝑝𝑐 representa un estado de esfuerzos de referencia para el cual 𝑣 = 𝑁(𝑠).

Figura 1-10: Variación de 𝜐 con 𝑝 y 𝑠 para trayectorias de carga isotrópica según modelo de Alonso et al. (1990)




En la zona de descarga-recarga se supone que el suelo tiene un comportamiento elástico

dado por la ecuación que aparece a continuación, donde el parámetro elástico 𝜅 es

constante y a diferencia de 𝜆, se considera independiente de la succión. Este parámetro 𝜅,

corresponde a las pendientes de las líneas de descarga-recarga URL (Unloading-

Reloading Line, por sus siglas en inglés).

𝑑𝜈 = −𝜅𝑑𝑝

𝑝 (1-5)

Para una trayectoria de carga en una condición de saturación total del material (𝑠 = 0) se

tiene un esfuerzo de preconsolidación 𝑝∗0, el cual se ve incrementado hasta valores 𝑝0

para otras trayectorias seguidas con succiones constantes mayores. En el caso de

trayectorias de disminución de la succión (humedecimiento), se puede presentar colapso

irreversible o hinchamientos elásticos cuando no se ha entrado a los estados vírgenes, que

se determinan con base en la siguiente expresión:

𝑑𝜈 = −𝜅𝑠𝑑𝑠

(𝑠+𝑝𝑎𝑡) (1-6)

Donde 𝜅𝑠 es el parámetro de rigidez elástico referido a los cambios en la succión y 𝑝𝑎𝑡

representa el valor de la presión atmosférica. El incremento aparente del esfuerzo de

preconsolidación del material con el incremento en 𝑠 y el fenómeno de colapso se

representa en el modelo por medio de las curvas de cedencia LC como la mostrada en la

Figura 1-11. Alonso et al. (1990) proponen la siguiente expresión para las curvas LC:

(𝑝0

𝑝𝑐) = (

𝑝∗0

𝑝𝑐)

[𝜆(0)−𝜅]

[𝜆(𝑠)−𝜅] (1-7)

Marco Teórico 27

Figura 1-11: Curva de cedencia LC en el espacio de esfuerzos (𝑝, 𝑠)


Como se mencionó antes, el modelo asume que el parámetro de rigidez 𝜆 disminuye con

los incrementos de succión, lo cual representa una rigidización del material con la succión

que no es infinita, para lo cual se propone la siguiente relación exponencial:

𝜆(𝑠) = 𝜆(0)[(1 − 𝑟) exp(−𝛽𝑠) + 𝑟] (1-8)

Donde 𝑟 es una constante referida a la máxima rigidez que puede tomar el suelo, calculada

como 𝑟 = 𝜆(𝑠 → ∞)/𝜆(0) para una succión tendiente al infinito y 𝛽 es un parámetro que

controla la tasa de incremento de la rigidez con la succión. Los incrementos de succión,

también pueden inducir deformaciones irreversibles al material si se supera un cierto valor

𝑠0. Para reproducir este fenómeno, Alonso et al. (1990) también proponen otra curva de

cedencia en el espacio (𝑝, 𝑠) después del incremento de succión SI (after suction increase,

por sus siglas en inglés) como se aprecia a continuación en la Figura 1-12.



Figura 1-12: Curvas de cedencia LC y SI en el espacio de esfuerzos (𝑝, 𝑠)

Fuente: Tomado de (Georgiadis, 2003)

De acuerdo con la figura anterior, se puede notar que ambas curvas de cedencia engloban

la región elástica en el plano (𝑝, 𝑠). Igualmente, para estados normalmente consolidados

del suelo en un espacio 𝜈 − ln 𝑠 semejante a los analizados en la Figura 1-10 , se puede

determinar el cambio en 𝜈 a partir de la siguiente relación lineal:

𝑑𝜈 = −𝜆𝑠𝑑𝑠

(𝑠+𝑝𝑎𝑡) (1-9)

Donde 𝜆𝑠 corresponde al parámetro de rigidez referido a los cambios en la succión para

estados normalmente consolidados del suelo. Este parámetro al igual que su

correspondiente elástico 𝜅𝑠 se asumen constantes por simplicidad en la modelación

(Alonso et al., 1990).

2 Marco Experimental

Se estudió el comportamiento volumétrico de un suelo derivado de cenizas volcánicas en

condiciones de saturación parcial, analizando las propiedades que influyen en los cambios

de volumen del material y encontrar las relaciones constitutivas de estos con las variables

tensionales. En algunos apartados este diseño experimental se complementó con un

diseño de tipo documental en pro de analizar la variabilidad de las características propias

encontradas del material de estudio respecto de otros suelos del mismo origen reportadas

por otros investigadores a nivel nacional y mundial.

En la investigación, se utilizaron muestras de suelo derivado de cenizas volcánicas,

extraídas como parte del desarrollo del proyecto realizado en el 2016 por la Universidad

Nacional de Colombia y el Ministerio de Transporte para la Identificación, caracterización

y desarrollo de especificaciones para materiales locales, para vías con bajos y medios

niveles de tráfico, que incentiven el desarrollo de la infraestructura vial en las zonas de

posconflicto, cuya recolección se describe a continuación.

2.1 Recolección de muestras

El sitio de exploración seleccionado se localiza en el municipio de Cajibío (departamento

del Cauca – Colombia), en un talud expuesto sobre la vía Cajibío – El Carmelo a la altura

de la vereda La María. La localización del sitio se esquematiza a continuación en la Figura

2-1.



Figura 2-1: Localización del sitio de exploración

Allí se encontró una capa vegetal de aproximadamente 0.30 m de espesor cubriendo una

capa de material limo arcilloso de color café amarillento con presencia de raíces con un

espesor de 2.00 m, tal y como se muestra a continuación en la Figura 2-2. En el sitio se

tomaron tres (3) muestras de suelo para obtener contenido de agua natural en bolsas

herméticas, se talló un (1) bloque inalterado y se recuperaron diez (10) muestras alteradas

en lonas a una profundidad entre 1.0 m y 2.0 m de profundidad, que fueron almacenadas

de manera que mantuvieran su contenido de agua inicial. De la Figura 2-3 a la Figura 2-5,

Marco Experimental 31

se muestra el registro fotográfico correspondiente a la recuperación de las muestras para

la investigación.

Figura 2-2: Perfil Estratigráfico

Figura 2-3: Muestras para contenido de agua natural

0

0.5

1

1.5

2

2.5

S-01

Pro

fun

did

ad (

m)

Limo Arcilloso

Capa Vegetal



Figura 2-4: Bloque inalterado

Figura 2-5: Muestras alteradas en lonas

2.2 Programa experimental

La investigación está orientada a la obtención y caracterización de las componentes

físicas, mecánicas y volumétricas del suelo de estudio. Por lo anterior, a continuación se

detalla el programa experimental seguido para obtener tales propiedades.


2.2.1 Caracterización física

Para la caracterización física del material de estudio se determinó en laboratorio su

contenido de agua natural (wn), gravedad específica (𝐺𝑠), distribución de tamaños de

partículas, peso unitario inalterado y límites de Atterberg de acuerdo con los

procedimientos descritos en las Normas de Ensayo de Materiales para Carreteras del

Instituto Nacional de Vías INVIAS (2013) vigentes en Colombia, bajos las consideraciones

descritas a continuación.

NOTA: Los suelos derivados de cenizas volcánicas son muy sensibles a las

consideraciones de secado. Por lo mismo, algunos ensayos de caracterización debieron

ser modificados y se establecieron consideraciones particulares para su ejecución.

2.2.1.1 Contenido de agua

Las mediciones de los contenidos de agua del material en cada instancia para los fines

pertinentes, se llevó a cabo de acuerdo a lo establecido en la norma INV E – 122-13. Para

este estudio en particular, en todos los casos se empleó una temperatura de 50°C para el

secado del material en el horno. Esto, con el fin de evitar posibles calcinaciones del

material de estudio.

2.2.1.2 Límites de Atterberg

La determinación de los límites de Atterberg se llevó a cabo en dos condiciones: con y sin

secado previo a la realización del ensayo, con el fin de determinar si el suelo presenta

cambios significativos que permitan establecer la presencia de materiales amorfos como

la alófana en su composición mineralógica. Para encontrar el límite líquido del suelo se

empleó el método A (multipunto) descrito en la norma INV E – 125-13 y el límite plástico e

índice de plasticidad se determinaron acorde a la norma INV E – 126-13.

2.2.1.3 Distribución de tamaños de partículas

La distribución del tamaño de partículas se llevó a cabo a partir de lo descrito en la norma

INV E – 123-13. La muestra se ensayó sin secado previo ya que este proceso genera

agregaciones de partículas de suelo que son irreversibles. Siguiendo este proceso, el



material en su totalidad presentó tamaños menores a la abertura del tamiz No. 10 (2 mm).

Por lo mismo, el análisis granulométrico se hizo por sedimentación (hidrometría).

2.2.1.4 Gravedad específica (𝑮𝒔)

Para la medición de la gravedad específica de las partículas minerales del suelo se siguió

el procedimiento estipulado en la norma INV E – 128-13, excepto por el secado previo del

material antes de la realización del ensayo. Para una medición más precisa del valor de 𝐺𝑠

del suelo de estudio se realizaron tres ensayos en las mismas condiciones. Finalmente el

valor de 𝐺𝑠 para el material ensayado se define como el promedio de los tres valores

obtenidos.

Finalmente, con base en los resultados obtenidos de los ensayos de caracterización básica

descritos antes se clasificó el material de estudio en el Sistema Unificado de Clasificación

de Suelos (SUCS).

2.2.1.5 Peso unitario

Se determinó el peso unitario total del material natural a partir de un fragmento del bloque

inalterado tallado en campo. Dada la friabilidad del material, no fue posible tallar una

muestra regular para medir su densidad, por lo que se empleó el método de parafinado de

muestras irregulares para estimar el volumen del fragmento por medio del principio de

Arquímedes. Adicionalmente, se tomó una muestra del bloque inalterado para determinar

su contenido de agua y calcular el peso unitario seco del material.

2.2.2 Fabricación de muestras

En primer lugar, es importante aclarar que con el programa experimental que aquí se

plantea se busca determinar y analizar el comportamiento y la respuesta del suelo derivado

de ceniza volcánica de estudio en condiciones naturales, para lo cual el empleo de

muestras inalteradas que mantengan en lo posible todas las características de sitio es

fundamental. Sin embargo, este tipo de materiales presentan una consistencia altamente

friable que dificulta enormemente el tallado de las muestras requeridas para cada prueba

como se muestra a continuación en la Figura 2-6. Por lo mismo, para el desarrollo de la

investigación todas las muestras de ensayo se fabricaron en laboratorio.


Figura 2-6: Consistencia del material ante tallado

Los especímenes requeridos para la realización de las pruebas de laboratorio, se

fabricaron a partir de las muestras alteradas recuperadas en campo. Al inicio de la

investigación se planteó la reconstitución de las muestras a usar en el desarrollo del

programa experimental. Sin embargo, de algunos estudios como los realizados por

Jacquet (1990) y Wesley (2009) se encontró que el comportamiento volumétrico y

mecánico de los suelos derivados de cenizas volcánicas remoldeados y luego

reconstituidos en laboratorio presenta importantes variaciones respecto del suelo

inalterado, con curvas de compresibilidad que no reflejan un punto de inflexión hacia la

NCL y reducciones en el parámetro ϕ’ de alrededor del 50%.

Por lo mismo, se plantea una metodología de construcción alternativa, por medio de la

compactación estática del material a la densidad seca del peso unitario determinado para

el bloque inalterado y determinar si se logra una simulación del comportamiento del suelo

más cercano al de su estado natural que al remoldeado. La fabricación se llevó a cabo en

una prensa Humboldt Master Loader como la mostrada en la Figura 2-7, la cual aplica una

fuerza vertical gradual al suelo por medio de un pistón metálico a una velocidad de

deformación constante.



Figura 2-7: Configuración empleada para la fabricación de probetas

El material de compactación se confinó en moldes metálicos rígidos de diámetro constante

acorde al tipo de ensayo a realizar sobre cada espécimen y se mantuvo control constante

de la altura del mismo. La masa total de material empleado se mantuvo variable en función

del contenido de agua determinado para el mismo al momento de la compactación. Se

escogió para la compactación una velocidad de deformación de 1 mm/min ya que las

velocidades bajas favorecen procesos drenados en los que no se presenta salida de agua

o acolchamiento asociado a la destrucción de la estructura del suelo (Viveros, 2014).

Con el fin de disminuir el efecto de rebote elástico del material compactado, se dejó la

presión final de compactación aplicada durante un período de 5 minutos. Posteriormente,

se extrajo cuidadosamente la probeta, se determinó su masa y dimensiones efectivas y se

tomó una muestra del material sobrante sin compactar para verificar el contenido de agua

del espécimen y su densidad. Para la aceptación de la probeta se definió un error

experimental asociado a la compactación de máximo 5% respecto de la densidad seca

objetivo. Cualquier probeta por fuera de este rango fue rechazada y se compactó un nuevo


espécimen que cumpliera con el estándar definido. En seguida de la verificación, se

identificó la probeta, se envolvió en papel vinipel y papel aluminio y se guardó finalmente

en un cuarto de temperatura y humedad relativa controlada para conservar constante el

contenido de agua del espécimen hasta su utilización. Adicionalmente, este proceso

favorece la homogenización del contenido de agua en toda la probeta. Se definió para esto

un periodo mínimo de 24 horas antes de la realización de cualquier ensayo.

Figura 2-8: Muestra fabricada en laboratorio

Figura 2-9: Embalaje de las muestras fabricadas en laboratorio



Es importante mencionar, que inicialmente se fabricaron probetas de 7.50 cm de altura

para tallar de allí las muestras a emplear en las distintas pruebas de laboratorio. Sin

embargo, como ocurrió con el bloque inalterado, la consistencia del material llevó al

desprendimiento de partículas y la generación de vacíos importantes en los especímenes

de ensayo de manera que no fue posible garantizar la uniformidad de su densidad tal y

como se muestra en la Figura 2-10. Por este motivo, las probetas empleadas en la

investigación, se fabricaron con las dimensiones dictaminadas por los requerimientos de

cada tipo de ensayo.

Figura 2-10: Sección irregular de la muestra obtenida por tallado

La fabricación de las probetas de suelo usualmente se realiza en capas de manera análoga

a los ensayos de compactación normal y modificado. No obstante, para el desarrollo de la

presente investigación y la naturaleza friable del material fue necesario modificar estos

protocolos y fabricar en todos los casos los especímenes de ensayo en una sola capa para

garantizar que la densidad de la muestra fuera uniforme. Lo anterior, se determinó dado

que al compactar el suelo en varias capas se obtuvieron diferencias notables de densidad

entre ellas como se muestra en la Figura 2-11.


Figura 2-11: Diferencias de densidad entre capas de compactación

Se emplearon en total 23 probetas para el desarrollo de la campaña experimental que se

mantuvieron dentro del rango del máximo error experimental aceptado de ±5% de la

densidad seca objetivo establecido anteriormente. A continuación en la Figura 2-12, se

muestra la densidad seca obtenida para cada una de las probetas fabricadas en relación

a su contenido de agua.

Figura 2-12: Relación densidad seca y contenido de agua especímenes de laboratorio



La caracterización volumétrica y mecánica del material de estudio incluyó la determinación

de la curva de retención de agua, la compresibilidad ante variaciones en las variables

tensionales de esfuerzo vertical y succión y su resistencia al corte, de acuerdo con los

procedimientos que se describirán más adelante para cada caso. A cada probeta fabricada

se le asignó un código de acuerdo al ensayo en el cual serían empleadas. A continuación

en la Tabla 2-1, se expone la nomenclatura, dimensiones requeridas y cantidad de

especímenes fabricados por cada tipo de prueba.

Tabla 2-1: Identificación de especímenes de ensayo

Ensayo Nomenclatura Diámetro

(mm) Altura (mm)

Cantidad

Curva de Retención de agua (WP4)

Rw 38 5 5

Curva de Retención de agua (Papel filtro)

Rp 52 50 3

Compresibilidad en condición saturada

St 64 25 1

Compresibilidad con succión constante

Sc 64 44 3

Compresibilidad con succión variable

Sv 38 5 8

Corte directo C 64 20 3

2.2.3 Caracterización volumétrica

2.2.3.1 Curva de retención de agua

Si bien la curva característica relaciona el contenido de agua y la succión del suelo, estas

se pueden representar en distintos componentes. En el primer caso, se tienen contenidos

de agua tanto gravimétricos como volumétricos, además del grado de saturación y en el

segundo caso se puede medir succión total o matricial en el suelo de acuerdo con lo que

se desee analizar. En este caso, ya que no se contempla la medición del volumen de las

muestras, la curva se trazara en función del contenido gravimétrico de agua.

Para determinar la succión en las muestras, se emplearon de forma complementaria dos

herramientas que son el método del higrómetro de punto de rocío (WP4C) y el método del

papel filtro. La unión de estos métodos permitió no solo completar la curva de retención de


agua en los rangos de succión que no logra cubrir el WP4C sino también la determinación

de la componente de succión osmótica en el material.

2.2.3.1.1 Método del higrómetro de punto de rocío (WP4C)

Con el higrómetro de punto de rocío (WP4C) se midió el valor de la succión total del suelo

sobre muestras de tipo Rw como se muestra a continuación en la Figura 2-13, de acuerdo

con lo establecido en la norma ASTM D6836-02. Se emplearon en total 6 probetas para la

obtención de la curva de retención en todo el dominio del contenido de agua.

Figura 2-13: Medición de la succión con el higrómetro de punto de rocío

2.2.3.1.2 Método del papel filtro

La segunda metodología comprendió la ejecución de algunas mediciones de succión

matricial con papel filtro Whatman No. 42 en contacto con la muestra de suelo, de acuerdo

con lo establecido en la norma INV E – 159-13. Para ello se emplearon muestras del tipo

Rp. Para la medición de la succión se cortaron las muestras a la mitad de la altura y se

colocó un conjunto de tres papeles filtro en la interfaz de ambas partes de la muestra en

contacto directo con las mismas tal y como se muestra en la Figura 2-14. Se permitió el

equilibrio de las muestras con el filtro durante un período de 7 días y se determinó el valor

de la succión matricial empleando las relaciones empíricas expuestas por Leong, He, &

Rahardjo (2002).



Figura 2-14: Configuración mediciones de succión con papel filtro

2.2.3.2 Compresibilidad en condición saturada

La curva de compresibilidad del suelo derivado de cenizas volcánicas de estudio en

condiciones saturadas se obtuvo por medio de un ensayo de consolidación unidimensional,

el cual fue realizado de acuerdo con los procedimientos estandarizados en la norma INV

E – 151-13. Se empleó una probeta tipo St compactada directamente en el anillo de

consolidación que posteriormente se dejó saturar en el marco de carga durante un período

de 24 horas.

La aplicación de la carga se realizó a través de pesas colocadas en el marco de

consolidación, duplicando la carga impuesta con cada incremento. Se siguió para el

ensayo una trayectoria de incremento en el σ’v desde 1.0 kPa a 787 kPa luego se descargó

hasta un σ’v de 100 kPa y recargó hasta alcanzar un esfuerzo de 1 573 kPa. De allí se

descargó completamente la muestra. Cada incremento de carga se aplicó una vez se

alcanzó el final de la consolidación primaria. En la Figura 2-15, se muestra

esquemáticamente la trayectoria de carga seguida para el ensayo.


Figura 2-15: Trayectoria de carga ensayo de consolidación en condición saturada

Los desplazamientos verticales de la muestra se midieron empleando un deformímetro

analógico con aproximación de 10-4 pulgadas tal y como se muestra a continuación en la

Figura 2-16. Al final del ensayo se toman las dimensiones finales del espécimen y su

contenido de agua para verificar las condiciones de saturación de la misma.

Figura 2-16: Configuración ensayo de consolidación en condición saturada



2.2.3.3 Compresibilidad con succión constante

La respuesta volumétrica del material en condiciones de saturación parcial con succión

constante, se obtuvo por medio de la realización de ensayos edométricos en un

consolidómetro de succión controlada, en el que se impuso y mantuvo constante un valor

determinado de succión empleando la técnica osmótica. El funcionamiento del equipo se

detalla a continuación.

2.2.3.3.1 Consolidómetro de succión controlada

El consolidómetro de succión controlada o edómetro osmótico está compuesto por una

cámara de consolidación modificada para permitir el paso de una solución acuosa de

Polietilenglicol (PEG) bajo una membrana semipermeable que se encuentra en contacto

con la muestra de suelo contenida en el anillo de consolidación. Esta cámara se conecta

a un reservorio en el cual se almacena la solución de PEG por medio de unas mangueras

flexibles que transportan la solución hacia la muestra y de vuelta al reservorio. La

circulación de la solución en el sistema se garantiza con el uso de una bomba peristáltica,

la cual no adiciona presión al fluido pero si lo hala por medio de un amasado de la

manguera (Abbas et al., 2015; Delage, de Silva, & Vicol, 1992; Monroy et al., 2007).

En cuanto a la medición del intercambio de agua, Dineen & Burland (1995) propusieron la

medición de la masa del reservorio que contiene la solución en tiempo real empleando una

balanza electrónica en lugar de medir su volumen, dadas las alteraciones que este sufre

con la temperatura. Por demás los sistemas de aplicación del esfuerzo vertical y la

medición de la deformación de la muestra se realizan de manera análoga a un ensayo

edométrico convencional.

El equipo empleado en la ejecución de los ensayos de la presente investigación fue

desarrollado por González (2005) en la Universidad Nacional de Colombia, con base en el

diseño desarrollado por Dineen & Burland (1995) y Dineen (1997). A continuación en la

Figura 2-17 se muestra la configuración del consolidómetro empleado. El equipo permite

imponer succiones y mantenerlas constantes para la aplicación de trayectorias de carga-

descarga o bien aplicar trayectorias de humedecimiento-secado ante un esfuerzo de

confinamiento constante, según la respuesta volumétrica que se desee analizar.


Figura 2-17: Consolidómetro de succión controlada

El valor de la succión impuesta a la muestra depende principalmente de la concentración

de la solución que se ponga a circular en el sistema. Para determinar la relación entre el

potencial osmótico (succión impuesta) y la concentración de la solución, en la literatura se

han reportado diversas curvas de calibración para PEG de distintos pesos moleculares

como se muestra en la Figura 2-18.

Figura 2-18: Succión impuesta para distintas concentraciones de solución PEG

Fuente: Tomado de: (Blatz et al., 2008)



En general, se encontró que la succión impuesta guarda una relación cuadrática con la

concentración de PEG en la solución, para la cual Delage, Howat, & Cui (1998) proponen

la siguiente ecuación, donde 𝑠 corresponde al valor de la succión que se quiere imponer a

la muestra, dada en MPa y 𝑐 es la concentración de la solución expresada en g PEG/g

agua.

𝑠 = 11𝑐2 (2-1)

Igualmente, se encontró que aunque el peso molecular del PEG influye en el potencial

osmótico obtenido, el efecto se hace notorio para succiones que estén por encima de los

3 MPa aproximadamente, las cuales se encuentran fuera del rango de control que brinda

la técnica osmótica y por tanto, la relación presentada es independiente del PEG que se

emplee (Blatz et al., 2008). Las soluciones salinas requeridas para el control de la succión

en la presente investigación fueron preparadas con PEG de 20.000 Da de peso molecular

disuelto en agua destilada. Para su preparación se usó un agitador magnético hasta que

se obtuvieron soluciones completamente homogéneas.

La cámara de consolidación empleada fue la desarrollada por Velosa (2006) en la

Universidad Nacional de Colombia. Para el funcionamiento de la técnica osmótica se

emplearon membranas sintéticas polyethersulphone ultrafiltration dispuestas y aseguradas

sobre una piedra porosa por medio de o-ring de modo que no se permita el contacto entre

la muestra de suelo y la solución salina. El bloque de carga cuenta con un orificio para la

instalación de un tensiómetro IC (desarrollado por Dineen & Burland (1995)) que permita

la medición independiente de la succión de la muestra durante el ensayo tal y como se

muestra en la Figura 2-19.

En esta investigación no fue posible implementar el tensiómetro debido a que el

Laboratorio de Geotecnia de la Universidad Nacional de Colombia no cuenta con este. Por

lo tanto, la succión impuesta en la muestra se verificó únicamente al final de cada ensayo

a través de la técnica del papel filtro. Se estableció una frecuencia de adquisición de 60

segundos para las mediciones de masa del reservorio de solución salina y deformación

vertical, dado que en general este tipo de ensayos son de larga duración.


Figura 2-19: Cámara de Consolidación

En un primer ensayo preliminar, se encontró que el tiempo requerido para lograr una

condición de equilibrio que permita entrever que la muestra alcanzó la succión deseada

superan las 720 h (1 mes) para el material de estudio. La muestra presentó deformaciones

en la dirección radial tales que propiciaron su separación con las paredes del anillo de

consolidación, como se muestra a continuación en la Figura 2-20. Por lo mismo, se

definieron condiciones particulares de pre acondicionamiento de las mismas.

Figura 2-20: Separación entre anillo y muestra por secado del material



Es importante resaltar que este tipo de ensayos no se encuentran estandarizados a nivel

nacional. Por lo mismo, para su ejecución fue necesario realizar un análisis exhaustivo de

los procedimientos presentados en la literatura internacional. Se recogieron las principales

recomendaciones realizadas por autores como Dineen & Burland (1995), Dineen (1997),

González (2005), Monroy, Ridley, Dineen, & Zdravkovic (2007) y Abbas, Elkady, & Al-

Shamrani (2015) adaptando un protocolo de ensayo propio para la presente investigación,

acorde con las condiciones particulares que mostró el material durante los ensayos. Este

protocolo se presenta en el Anexo B del presente documento e incluye una descripción

más detallada del equipo empleado, pre acondicionamiento de las muestras y

recomendaciones para la correcta ejecución de los ensayos.

2.2.3.3.2 Incrementos y decrementos de carga

La aplicación de la carga en estos ensayos se realizó de forma análoga a las pruebas en

condiciones saturadas a través de pesas colocadas en el marco de consolidación,

aplicando para cada escalón el doble de la carga del incremento de carga anterior. Se

realizaron ensayos para valores constantes de succión matricial de 100 kPa, 400 kPa y

700 kPa.

En todas las pruebas realizadas, se siguió una trayectoria de carga-descarga,

incrementando el σ’v desde 1.0 kPa a 990 kPa y nuevamente a 1.0 kPa siguiendo los

mismos escalones de carga para valores de succión constantes durante todo el ensayo.

Los incrementos de carga fueron aplicados una vez que se alcanzó una condición de

equilibrio tanto en la deformación vertical de la muestra como en el intercambio de agua

con el contenedor de la solución salina. En ningún caso se aplicó un nuevo incremento de

carga antes de haber transcurrido 24 horas del anterior incremento. En la Figura 2-21, se

muestra esquemáticamente la trayectoria de carga seguida para cada uno de los ensayos

realizados.


Figura 2-21: Trayectoria de carga ensayo de consolidación con succión constante

Es importante aclarar que las curvas de compresibilidad obtenidas a partir de los

procedimientos descritos en este apartado no incluyen en ningún caso trayectorias de

humedecimiento o secado bajo esfuerzo vertical constante, dado que para el desarrollo de

los ensayos no se contó con un tensiómetro para la medición de la succión de manera

independiente y por tanto no se tendría certeza alguna de la evolución de las trayectorias

de esta variable tensional. Por lo mismo, se desarrolló un protocolo de ensayo que permitió

establecer una curva de compresibilidad en función de la succión para un esfuerzo de

confinamiento nulo. El procedimiento empleado se expone en el siguiente numeral.

2.2.3.4 Compresibilidad con succión variable

La obtención de la respuesta volumétrica del suelo de estudio ante variaciones en el valor

de la succión para un esfuerzo de confinamiento constante se llevó a cabo a partir de la

medición del volumen total de muestras con un determinado valor de succión. El

procedimiento se llevó a cabo sobre especímenes sin ningún tipo de confinamiento y por

tanto se entenderá que la curva obtenida corresponde a una condición de esfuerzo neto

nulo.

2.2.3.4.1 Fabricación y Pre Acondicionamiento de los Especímenes de Ensayo

En primer lugar, se fabricaron los especímenes de ensayo de acuerdo a lo expuesto en el

apartado de Fabricación de Probetas. Luego de la compactación de cada espécimen se

tomó una muestra del material sobrante de la compactación para determinar el contenido



de agua inicial de las mismas. En seguida se estimó el contenido de agua objetivo para

alcanzar cada uno de los valores de succión de interés de acuerdo con la curva de

retención del material obtenida previamente. Las probetas fueron sometidas a un proceso

de secado equivalente al descrito anteriormente en el pre acondicionamiento de

especímenes para consolidación de succión constante. Una vez alcanzado el valor del

contenido de agua objetivo, se procedió a cubrir las muestras y se dejaron reposar en el

cuarto húmedo por un período de 24 horas para garantizar su homogeneidad en términos

de contenido de agua y succión.

2.2.3.4.2 Medición de la Succión

Una vez transcurrido el tiempo de homogenización se midió la succión de cada una de las

probetas empleando el WP4C de manera análoga a la obtención de la curva de retención.

Se tomó la masa de la muestra al final de la medición para determinar el contenido de agua

final.

2.2.3.4.3 Medición del Volumen Total

Dado que las muestras para el ensayo tienen dimensiones reducidas y con el incremento

en la succión su volumen disminuye aún más haciendo al espécimen muy frágil, su

volumen total se calculó empleando el principio de Arquímedes y el procedimiento de

parafinado de muestras como se muestra en la Figura 2-22.

Figura 2-22: Parafinado de probeta para medición de volumen


Finalmente, una vez calculado el volumen de cada espécimen se calculan sus respectivas

relaciones de vacíos y se construye la curva de compresibilidad relacionando las relaciones

encontradas con la succión medida inicialmente para cada probeta.

2.2.4 Caracterización mecánica

2.2.4.1 Resistencia al corte

En relación a la resistencia al corte del suelo derivado de cenizas volcánicas de estudio se

determinaron los parámetros drenados c’ y ϕ’ a partir de ensayos de corte directo en

modalidad CD (consolidado - drenado), de acuerdo lo establecido en la norma INV E –

154-13. Se realizaron en total tres (3) ensayos en un equipo convencional sobre probetas

tipo C fabricadas en laboratorio de acuerdo con el protocolo descrito anteriormente, tal y

como se muestra a continuación en la Figura 2-23.

Figura 2-23: Configuración de los ensayos de corte directo

Para estos ensayos, en el primer punto se consolidó la muestra con un esfuerzo vertical

(σ’v) equivalente al esfuerzo in situ estimado con una columna del mismo material de 1.50

m de atura. En el segundo y tercer punto se emplearon esfuerzos correspondientes al

doble y a cuatro (4) veces el esfuerzo vertical estimado respectivamente. Por su parte, la

etapa de corte se llevó a cabo a una velocidad y tiempos de falla determinados con base



en el t90, obtenido de la prueba de consolidación unidimensional del material en condición

saturada.

3 Análisis y Discusión de Resultados

En el presente capítulo se presentan y analizan los resultados obtenidos a partir de la

campaña experimental descrita en el capítulo anterior. El objetivo principal de este

programa de ensayos es estudiar los cambios de volumen en un suelo derivado de cenizas

volcánicas en condiciones de saturación parcial. Para ello, se inicia por la caracterización

de las propiedades físicas del material como lo son su contenido de agua, límites de

Atterberg, granulometría, gravedad específica y peso unitario. Posteriormente, se

muestran las propiedades volumétricas y mecánicas determinadas en cuanto a retención

de agua, compresibilidad en condiciones saturadas y no saturadas y resistencia al corte.

3.1 Caracterización física

En el presente apartado se exponen los resultados de los ensayos básicos realizados al

suelo derivado de cenizas volcánicas recuperado en el municipio de Cajibío (departamento

del Cauca) que es objeto de estudio de esta investigación, analizando sus propiedades en

contraste con otros materiales volcánicos caracterizados previamente a nivel nacional e

internacional.

En primer lugar, se tiene que las muestras de suelo ensayadas presentan contenidos de

agua elevados que oscilan en un rango entre 120% y 135%. En cuanto a los límites de

Atterberg, el suelo en condición natural sin secado previo exhibe un límite líquido (LL) de

162.4% y un índice de plasticidad (IP) de 35.6%. Sin embargo, una vez el material fue

secado al aire sus características de plasticidad mostraron un cambio drástico,

comportándose finalmente como un material no plástico (NP) tal y como se muestra en la

Figura 3-1. De acuerdo con Warkentin & Maeda (1974), este cambió en sus propiedades

refleja la presencia de alófana en la fracción coloidal del material.



Figura 3-1: Pérdida de plasticidad con el secado

De la distribución de tamaños de partículas se encontró la curva granulométrica (Figura

3-2), la cual muestra que el suelo de estudio corresponde a un suelo fino con un 89% de

partículas más finas de 0.075 mm que en conjunto con sus características de plasticidad

lo clasifican como un limo de alta plasticidad (MH) en el Sistema Unificado de Clasificación

de Suelos (SUCS).

Análisis y Discusión de Resultados 55

Figura 3-2: Curva granulométrica del suelo de estudio

No obstante, es importante aclarar que esta distribución encontrada puede no ser

representativa del material de estudio, ya que la tendencia a la agregación de las partículas

del suelo en conjunto con su baja dispersabilidad no permite identificar si la curva mostrada

realmente es la correspondiente al material o un reflejo del grado de agregación que este

presentaba al momento del ensayo. De esta manera, según lo explican Maeda, Takenaka,

& Warkentin (1977), la granulometría en este caso no es un índice adecuado en la

predicción del comportamiento del suelo de estudio.

Se obtuvo también un valor 𝐺𝑠 promedio de las mediciones realizadas de 2.49 y un peso

unitario seco del bloque inalterado de 5.02 kN/m3. Estos resultados, junto con los

contenidos de agua mencionados anteriormente reflejan claramente que el material

presenta baja densidad y alta porosidad, tal y como se esperaba de suelos de origen

volcánico. A continuación en la Tabla 3-1, se resumen las propiedades físicas del material

de estudio.



Tabla 3-1: Propiedades físicas del suelo de estudio

Propiedad Unidad Valor

Contenido de agua, 𝑤𝑛 % 120 – 130

Límite líquido, 𝐿𝐿 % 162

Límite plástico, 𝐿𝑃 % 127

Índice de plasticidad, 𝐼𝑃 % 36

Partículas que pasan tamiz No. 200 % 89

Gravedad específica, 𝐺𝑠 -- 2.49

Peso unitario total, 𝛾𝑡 kN/m3 11.18

Peso unitario seco, 𝛾𝑑 kN/m3 5.02

Para el análisis de variabilidad de las propiedades del suelo estudiado, se comparan los

resultados obtenidos con otros suelos del mismo origen. En Colombia se emplean los

resultados obtenidos para suelos del Cauca en los municipios de Cajibío y Suárez y suelos

de Manizales y Palestina en el departamento de Caldas. Igualmente, se extractaron datos

reportados para suelos de Ecuador, Costa Rica y Dominica en América, así como Nueva

Zelanda, Indonesia y Japón. En la Tabla 3-2, se muestran comparativamente propiedades

como 𝑤𝑛, límites de Atterberg y 𝐺𝑠.

Tabla 3-2: Comparación propiedades física suelos derivados de cenizas volcánicas

País Región 𝑤𝑛 (%) 𝐿𝐿 (%) 𝐿𝑃 (%) 𝐼𝑃 (%) 𝐺𝑠 Fuente

Colombia Cauca – Cajibío 123 162 127 36 2.49 [1]

Colombia Cauca – Suárez 52 86 49 36 2.85 [2]

Colombia Cauca – Cajibío 80 96 68 29 2.22 [2]

Colombia Manizales 30 117 90 27 2.58 [3]

Colombia Palestina 58 59 37 22 2.63 [4]

Ecuador Cordillera Real 122 111 65 46 2.49 [5]

Costa Rica Volcán Irazú 23 26 20 6 2.61 [6]

Indias Occidentales Dominica 73 71 65 6 2.58 [7]

Nueva Zelanda North Island 89 99 53 46 2.72 [8]

Nueva Zelanda North Island 108 127 79 48 2.85 [8]


Tabla 3-2: Comparación propiedades física suelos derivados de cenizas volcánicas

(continuación)

País Región 𝑤𝑛 (%) 𝐿𝐿 (%) 𝐿𝑃 (%) 𝐼𝑃 (%) 𝐺𝑠 Fuente

Indonesia Cipanunjang 161 187 149 38 -- [9]

Indonesia Cipanunjang 156 179 139 40 -- [9]

Japón Hokkaido 51 50 39 11 2.74 [7]

Fuente: [1] Este estudio, [2] (Universidad Nacional de Colombia & Ministerio de Transporte, 2017), [3] (Herrera, 2006), [4] (Viveros, 2014), [5] (Bommer, Rolo, Mitroulia, & Berdousis, 2001), [6] (Ferrari, Eichenberger, & Laloui, 2013), [7] (Warkentin & Maeda, 1974), [8] (Jacquet, 1990) y [9] (L. Wesley, 2009). En la tabla anterior, se pueden notar que aunque el valor de 𝐺𝑠 se mantiene dentro de un

amplio rango entre 2.2 y 2.9 para todos los suelos comparados. Se tienen también

importantes variaciones en propiedades como el 𝑤𝑛 y los límites de consistencia. En la

Figura 3-3, se muestra la posición que ocupan los distintos suelos dentro de la Carta de

Plasticidad de Casagrande, de acuerdo con los valores de 𝐿𝐿 e 𝐼𝑃 de los distintos

materiales. Así, se tiene que la mayor parte de los suelos comparados corresponden de

acuerdo con esta clasificación a limos de alta plasticidad (MH).

De igual manera, se puede notar que el material estudiado en la presente investigación

excede en su valor de 𝐿𝐿 a la mayor parte de los suelos considerados, con única excepción

en los suelos de Java en Indonesia, aunque el valor del 𝐼𝑃 para ambos suelos se encuentra

alrededor del 40%. En cuanto al rango plástico, se tiene que los suelos de Nueva Zelanda

presentan un 𝐼𝑃 mayor que el del suelo de estudio que se encuentran cerca del 50% para

valores de 𝐿𝐿 entre el 90% y el 130%.



Figura 3-3: Posición en Carta de Plasticidad

3.2 Caracterización volumétrica

Ahora, se muestran y analizan los resultados de los ensayos de caracterización de

comportamiento volumétrico del suelo de estudio.

3.2.1 Curva de retención de agua

En la Figura 3-4 se muestra la curva de retención de agua obtenida para el suelo de estudio

combinando las metodologías de papel filtro y el psicrómetro en una trayectoria de secado

respecto del contenido gravimétrico de agua. Se realizaron en total cuarenta (40)

mediciones de succión total con el WP4C y tres (3) mediciones de succión matricial con

papel filtro. Allí, se puede notar que los puntos de succión medidos con el método del papel

filtro caen dentro de la nube de puntos obtenida a través del WP4C y, por tanto se infiere

que las succiones total y matricial del material no exhiben variaciones significativas entre

ellas. Este comportamiento indica que la componente de succión osmótica en el suelo de

estudio es despreciable y que la succión matricial es equivalente a la succión total.


Figura 3-4: Curva de retención de agua del suelo de estudio

Los distintos puntos obtenidos en la curva de retención mostrada con el WP4C siguen la

misma trayectoria y muestran dispersión casi nula entre ellos. Esto indica que si bien con

el proceso de compactación no es posible recrear la misma fábrica en cada una de las

probetas empleadas, se logró suficiente similitud entre ellas para no percibir la influencia

de la humedad y densidad seca iniciales en la curva de retención.

En cuanto a las metodologías empleadas, dado que el WP4C tiene un funcionamiento

mejor para rangos de succión elevados y es poco sensible en humedades cercanas a la

saturación, en las primeras mediciones realizadas a contenidos de agua superiores al

120% no se obtuvieron lecturas coherentes de los valores de succión; sin embargo, los

datos obtenidos de las mediciones con papel filtro muestran que el contenido de agua de

saturación se encuentra alrededor del 140%. De cualquier manera, es posible apreciar que

el suelo en condiciones naturales de humedad presenta valores iniciales de succión (𝑠)

que van de 30 a 80 kPa y supera valores de 100 MPa para contenidos de agua bajos

alrededor del 10%. Esto muestra que el suelo de estudio es un material con una gran

capacidad de retención de agua.

Ahora, en la Figura 3-5 se comparan estas características de retención de agua con las

encontradas para suelos derivados de cenizas volcánicas de Manizales (Herrera, 2006) y



Palestina (Naranjo, 2016) en Colombia, Costa Rica (Ferrari et al., 2013) y Japón (Suzuki,

2011).

Figura 3-5: Comparativo de curvas de retención

En la figura anterior se confirma que en términos generales los suelos derivados de cenizas

volcánicas tienen una alta capacidad de retención, donde para contenidos de agua que se

encuentran entre el 10% y el 20% se alcanzan succiones por encima de los 10 000 kPa en

todos los casos salvo el suelo de Costa Rica. También, se tiene que los suelos de Palestina

y Cauca son los que presentan mayores succiones alcanzando incluso valores cercanos a

los 100 MPa.

En comparación con los demás suelos presentados, se tiene que el suelo del Cauca

estudiado en la presente investigación, muestra una capacidad de retención notablemente

mayor, conservando a un contenido de agua del 130% valores de succión de

aproximadamente 100 kPa, mientras que el suelo de Japón alcanza este valor de succión

para contenidos de agua no mayores del 70%, lo que indica un contenido de agua de

saturación un 86% mayor respecto al de Japón y hasta un 300% mayor si se compara con

el suelo de Costa Rica.


3.2.2 Compresibilidad en condición saturada

Para la evaluación del comportamiento volumétrico del material de estudio en condiciones

saturadas se analiza el desarrollo de las deformaciones del mismo, causadas por los

efectos de carga y descarga simulados a través del ensayo de consolidación

unidimensional.

Inicialmente, en la etapa de saturación de la muestra, se incrementó su contenido de agua

manteniendo un esfuerzo vertical constante, correspondiente al peso de la piedra porosa

superior y el bloque de carga, lo cual permitiría inicialmente encontrar la tendencia a

cambio volumétrico del suelo. Sin embargo, en esta etapa no se registró ningún

hinchamiento o colapso en el mismo. Posteriormente se siguió la trayectoria de carga

descrita antes en el capítulo de marco experimental.

En la Figura 3-6 se presenta la curva de compresibilidad obtenida para la muestra

ensayada en un espacio 𝑒 − log𝜎′𝑣. La muestra parte de una relación de vacíos de 3.86 y

alcanza un valor mínimo de 2.20 para un esfuerzo efectivo vertical aplicado de 1 573 kPa.

Aquí se encontró que el punto de inflexión hacia la NCL se presenta alrededor de los 30

kPa de esfuerzo neto. Adicionalmente, se encontró que la muestra presenta un coeficiente

de compresión 𝐶𝑐(0) de 0.509. Por su parte las líneas de descarga – recarga presentan

cierta similitud en sus trayectorias presentando coeficientes de recompresión 𝐶𝑟(0) que

varían entre 0.035 y 0.051.



Figura 3-6: Curva de compresibilidad suelo de estudio condición saturada

Ahora, al analizar el comportamiento de la muestra empleada en el ensayo, que fue

compactada en laboratorio, en contraste con el comportamiento deformacional que

exhiben otros suelos también derivados de ceniza volcánica en su forma inalterada y

remoldeada. Para ello, se muestran en la Figura 3-7 las curvas de compresibilidad

determinadas por Wesley (2009) para los suelos de Indonesia respecto de la obtenida para

el suelo de estudio en un espacio 𝑒 − log 𝑝. Cabe mencionar que los valores de 𝑝 en cada

caso, se calcularon para el caso edométrico por medio de la relación 𝐾0 que se estimó a

partir de la fórmula propuesta por Jaky (1944). Se empleó un valor de 𝜙′ de 31.9° acorde

a los resultados de los ensayos de corte directo que se presentan más adelante y se

encontró un valor de 𝐾0 de 0.47.

En la figura se evidencia que si bien es clara la influencia de la alteración del suelo y no es

posible fabricar en el laboratorio la misma microestructura natural del suelo en condición

inalterada, las características de la curva de compresibilidad obtenida se asemejan más a

la curva inalterada en comparación con la remoldeada. Esto, dado que tanto la muestra

compactada como la muestra inalterada presentan menor compresibilidad para los

esfuerzos iniciales antes de alcanzar el esfuerzo de pre consolidación y contrario al caso

de la muestra remoldeada exhiben un punto de inflexión de claro hacia la NCL. Por lo

mismo, es posible inferir que las probetas empleadas en esta investigación logran simular


el comportamiento natural inalterado del suelo de mejor manera que una muestra

remoldeada.

Figura 3-7: Comparativo compresibilidad con suelos inalterados y remoldeados

3.2.3 Compresibilidad con succión constante

Las curvas de compresibilidad del material de estudio siguiendo trayectorias de carga y

descarga para valores de succión matricial constante se obtuvieron de acuerdo con lo

establecido antes en el capítulo correspondiente al marco experimental. Estas curvas

permitieron a su vez la estimación de los parámetros de rigidez 𝐶𝑐 y 𝐶𝑟 para los distintos

valores de succión impuestos de 100 kPa, 400 kPa y 700 kPa. Los principales resultados

obtenidos se sintetizan a continuación en la Tabla 3-3.

Tabla 3-3: Resultados de compresibilidad con succión constante

Muestra Unidad Sc-1 Sc-2 Sc-3

𝑠 impuesta kPa 100 400 700

concentración solución gPEG/gH2O 0.10 0.19 0.25



Tabla 3-3: Resultados de compresibilidad con succión constante (continuación)

Muestra Unidad Sc-1 Sc-2 Sc-3

Equilibrio

Tiempo equilibrio horas 40 42 92

Tiempo ensayo horas 582 1 575 758

Succión final

𝑠 final parte superior kPa 551 480 1 283

parte inferior kPa 592 656 1 556

Variación 𝑠 final % 451 20 103

Compresibilidad

𝑒 inicial real - 3.82 3.76 3.88

𝑒 inicial teórica - 3.85 3.91 4.00

Variación 𝑒 inicial % 0.79 3.99 3.09

𝑒 mínima - 2.99 2.13 2.81

𝑒 final - 3.04 2.20 -

𝜎′𝑣 máximo kPa 991 1 978 990

Parámetros de rigidez

𝐶𝑐 - 0.461 0.668 0.621

𝐶𝑟 - 0.007 – 0.027 0.013 – 0.041 0.028

La probeta Sc-1 fue ensayada a una succión constante impuesta de 100 kPa para lo cual

se empleó una solución con concentración de 0.095 gPEG/gH2O. El ensayo tuvo una

duración total de 582 h (aproximadamente 24 días). El equilibrio de la muestra con la

succión objetivo se alcanzó luego de un período de 40 h, a partir del cual se dio inicio a la

etapa de carga tal como se muestra en la Figura 3-8. Durante la primera etapa de carga,

a un esfuerzo vertical neto de 63 kPa, no se presentó incremento en el intercambio de

agua entre la muestra y el reservorio, lo cual se presume que se debió a que la muestra

no alcanzó a entrar en contacto con las paredes del anillo de consolidación, alcanzando la

condición de carga edométrica. Para los siguientes incrementos de carga, dicho

intercambio presentó el comportamiento esperado, con incrementos graduales en el

tiempo hasta alcanzar una condición de equilibrio.


Figura 3-8: Comportamiento volumétrico e intercambio de agua en el tiempo para succión matricial de 100 kPa

En la figura anterior, también se evidencia que con los distintos incrementos de carga

aplicados, la muestra presentó reducciones importantes en su volumen. Sin embargo,

durante la etapa de descarga, no se aprecian recuperaciones volumétricas visibles aun

cuando se presentaron reducciones en el contenido de agua del reservorio. Por lo mismo,

la pendiente negativa del intercambio de agua en la etapa de descarga se asocia más con

pérdidas del sistema que con absorción de agua por parte de la muestra de suelo.

En la Figura 3-9 se muestra la curva de compresibilidad del material para succión matricial

constante de 100 kPa en un espacio 𝑒 − log𝜎′𝑣. De acuerdo con la gráfica, para un

diámetro constante del anillo de consolidación de 6.35 cm, la muestra presenta una

relación de vacíos inicial de 3.85 y alcanza un valor mínimo de 2.99 para un esfuerzo

vertical neto máximo de 991 kPa. Cabe mencionar que luego del secado se obtuvo que la

relación de vacíos de la muestra correspondía a 3.82, lo que implica un error en el valor

de inicial de la relación de vacíos de 0.03 en las mediciones del ensayo durante el período

de tiempo en que no se había alcanzado la condición edométrica. Para esta muestra, se

encontró el punto de inflexión a la NCL cerca de los 100 kPa de esfuerzo aplicado, lo cual



en contraste con la muestra saturada presenta un incremento en el esfuerzo de

preconsolidación con la succión correspondiente al comportamiento esperado.

Para estas condiciones, se encontró también que la muestra presenta un coeficiente de

compresión 𝐶𝑐(100) de 0.461 que presenta una reducción del 9% con respecto al

coeficiente encontrado en condiciones saturadas consistente con los supuestos del BBM.

Por su parte, las líneas de descarga – recarga presentan pendientes bajas con coeficientes

de recompresión 𝐶𝑟(100) que varían entre 0.007 y 0.027, indicando baja recuperación

volumétrica en las etapas de descarga como se expuso anteriormente.


Finalizado el ensayo se extrajo la muestra del anillo y se midió la succión final con papel

filtro obteniendo un valor de 551 kPa en la parte superior y 592 kPa en la parte inferior lo

cual representa una variación del 451% respecto a la succión esperada. Cabe destacar

que este primer ensayo realizado no siguió estrictamente el protocolo descrito en el anexo

B del presente documento, puesto que sus resultados justamente se emplearon en la

optimización y adaptación final de este protocolo. En este caso particular no se protegió la

cámara en la parte superior, de manera que la muestra pudo experimentar secado

adicional por su contacto con la atmósfera, incrementando así el valor de succión impuesta.


Por lo anterior, los resultados obtenidos para esta muestra no se tendrán en cuenta en la

estimación de los parámetros del BBM.

Ahora, la probeta Sc-2 que fue ensayada a una succión objetivo de 400 kPa empleó una

solución de concentración 0.191 gPEG/gH2O y tuvo una duración total de 1 575 h

(aproximadamente 65 días). El equilibrio de la muestra con la succión impuesta por la

solución se alcanzó luego de 42 h de ensayo para dar inicio a la etapa de carga. A

continuación en la Figura 3-10, se muestra el comportamiento de la relación de vacíos y el

intercambio de agua de la muestra en función del tiempo de ensayo. Dado que para valores

de succión más bajos, un nivel de esfuerzo de 63 kPa no logró llevar la muestra a una

condición edométrica, en este ensayo se suprimió este escalón de carga y el primer

incremento realizado fue de 124 kPa, con el cual se obtuvo el comportamiento esperado

para el intercambio de agua.


El último incremento de carga aplicado a esta muestra llevó a la misma a un esfuerzo

vertical neto de 1 978 kPa. Para este incremento, el volumen de la muestra presentó una

reducción tal, que ocasionó que el sistema de aplicación de carga del marco de

consolidación entrara en contacto con el anillo, impidiendo la medición de deformación del



suelo y la continuación del escalón de carga. En este punto se descargó inmediatamente

la muestra para prevenir no solo que el anillo de consolidación recibiera la carga en lugar

del suelo sino la continua deformación del material sin control alguno. Esta interrupción del

escalón de carga se ve reflejada en la figura anterior, en el punto donde no se permitió que

el intercambio de agua alcanzara la condición de equilibrio. Durante la etapa de descarga,

no se obtiene una recuperación significativa en la deformación, de manera análoga al

ensayo realizado con 100 kPa de succión.

En la Figura 3-11 se muestra la curva de compresibilidad del material para succión matricial

constante de 400 kPa en la cual se tiene una relación de vacíos inicial teórica de 3.91 para

el diámetro constante del anillo, en contraste con el valor real de 3.76 medido luego de la

etapa de pre acondicionamiento, obteniendo así una diferencia mayor que la obtenida para

la probeta Sc-1. Para el esfuerzo vertical neto máximo de 1 978 kPa se obtuvo una relación

de vacíos mínima de 2.13.


Para la succión impuesta en este ensayo, se encontró que el punto de inflexión hacia la

NCL está alrededor de los 100 kPa de esfuerzo vertical neto. Para las condiciones del

ensayo, se encontró un valor de 𝐶𝑐(400) de 0.668, mostrando un incremento en la

pendiente de la NCL respecto de la obtenida para la condición de saturación total. Para las


líneas de descarga – recarga se encontraron pendientes nuevamente bajas con 𝐶𝑟(400)

que varían entre 0.008 y 0.041.

De la comprobación del valor de succión impuesto, se obtuvieron valores de 480 kPa en

la parte superior y 656 kPa en la parte inferior luego de un tiempo de equilibrio de siete (7)

días. Estos valores muestran una variación con el valor objetivo del 20% y del 64

respectivamente. La succión obtenida resulta mayor en la parte inferior de la muestra, dado

que allí es donde el suelo entra en contacto con la membrana semipermeable y presenta

mayor salida de agua tal como se esquematiza a continuación en la Figura 3-12.

Figura 3-12: Gradiente de succión en la muestra

Finalmente, la probeta Sc-3 fue ensayada con una succión matricial de 700 kPa con

solución a una concentración de 0.252 gPEG/gH2O. El ensayo tuvo una duración total de

758 h (aproximadamente 32 días), alcanzando el equilibrio con la succión impuesta luego

de 92 horas. En la Figura 3-13, se muestra la relación de vacíos e intercambio de agua de

la muestra respecto del tiempo de ejecución del ensayo, donde se puede notar que con el

primer escalón de carga (correspondiente a un esfuerzo vertical neto aplicado de 124 kPa)

el intercambio de agua presentó un decremento contrario a lo esperado, de modo que se

puede inferir que para el valor más alto de succión empleado en los ensayos con succión

constante, este esfuerzo no fue suficiente para lograr el contacto entre la muestra y el anillo

de consolidación, tal y como se explicó antes para el ensayo a 100 kPa de succión

matricial.




De igual manera, cabe destacar que en este ensayo no se logró la completa ejecución de

la etapa de descarga, dado que durante el primer escalón la manguera de salida de PEG

presentó una rotura tal y como se muestra en la Figura 3-14. Esta rotura, se relaciona con

en el punto de amasado ejercido por la bomba peristáltica que con la duración de los

ensayos empieza a generar fisuras internas en la manguera que van evolucionando hacia

la rotura completa.

Figura 3-14: Rotura de la manguera de salida de PEG durante el ensayo


Esta falla de la manguera anuló la hermeticidad del sistema y generó grandes pérdidas de

solución. De esta manera, para el análisis de los resultados del ensayo, este se dio por

terminado en el punto final de la última aplicación de carga realizada y no se tuvieron en

cuenta las últimas mediciones en descarga para las cuales no se tiene certeza del

intercambio de agua entre la muestra y el reservorio.

En la Figura 3-15, se presenta la curva de compresibilidad obtenida para el material con

succión matricial constante de 700 kPa. Allí se evidencia una relación de vacíos inicial de

4 al final de la etapa de equilibrio suponiendo el diámetro de la muestra igual al diámetro

constante del anillo (6.36 cm), en contraste con 3.88, que corresponde a la relación de

vacíos calculada para el final del pre acondicionamiento de la muestra, que correspondería

al punto inicial real de la probeta. La mínima relación de vacíos obtenida en el último

escalón de carga con esfuerzo vertical neto máximo de 990 kPa corresponde a 2.81. En

adición, se encontró el punto de inflexión hacia la NCL se encuentra entre los 100 y 200

kPa de esfuerzo aplicado. Para este ensayo, se encontró un valor de 𝐶𝑐(700) de 0.621 y

un 𝐶𝑟(700) en la parte inicial de la curva de 0.028


Con la medición final de la succión, se obtuvieron valores para la muestra de 1 283 kPa en

la parte superior y 1 556 kPa en la parte inferior. Estos resultados muestran una diferencia

significativa con el valor objetivo que puede haber sido causada por la pérdida de



hermeticidad en el sistema con la rotura de la manguera, ocasionando secado adicional al

suelo. Esto, dado que de los tres ensayos edométricos con succión constante realizados,

la muestra Sc-2 no presentó inconvenientes en cuanto a interacción con la atmósfera

durante el ensayo y fue la única que presentó rangos de succión adecuados. Así, se podría

inferir que bajo condiciones normales de ensayo, garantizando un sistema de circulación

completamente cerrado, la succión impuesta realmente a la muestra corresponde a la

succión objetivo y, por tanto los valores teóricos de 400 kPa y 700 kPa de succión matricial

son empleados en la determinación de los parámetros del BBM.

A continuación, se determinan los parámetros de rigidez 𝜆 y 𝜅 para cada uno de los valores

de succión estudiados en el material, a través de su estrecha relación con los coeficientes

𝐶𝑐 y 𝐶𝑟, como se muestra en la ecuación que aparece a continuación. Los valores obtenidos

para cada uno de los parámetros, se condensan en la Tabla 3-4. Cabe mencionar que se

adopta la notación 𝜅(𝑠) para identificar los parámetros de recompresión obtenidos en cada

uno de los ensayos realizados, aun cuando el BBM supone que el parámetro 𝜅 al ser

elástico no varía con la succión.

𝜆(𝑠), 𝜅(𝑠) =𝐶𝑐(𝑠),𝐶𝑟(𝑠)

ln 10 (3-1)

Tabla 3-4: Parámetros de rigidez del suelo compactado derivado de cenizas volcánicas de estudio

𝑠 (𝑘𝑃𝑎) 𝐶𝑐(𝑠) 𝐶𝑟(𝑠) 𝜆(𝑠) 𝜅(𝑠) Fuente

0 0.509 0.04-0.05 0.221 0.02 Figura 3-6

400 0.668 0.01-0.04 0.290 0.01-0.02 Figura 3-11

700 0.621 0.028 0.270 0.01 Figura 3-15

Por su parte, en la Figura 3-16 se presentan de forma comparativa las NCL obtenidas para

el suelo de estudio en condición saturada y parcialmente saturada con succión matricial de

400 kPa y 700 kPa. Allí, se evidencia que conforme se incrementa el valor de la succión

impuesta al material, las NCL se van desplazando hacia la derecha mostrando un

incremento en el esfuerzo de preconsolidación, lo cual concuerda con las formulaciones

realizadas por Alonso et al. (1990) para la curva de cedencia LC. Sin embargo, también se

puede notar que las NCL obtenidas para los valores de succión estudiados no divergen de


la línea correspondiente a la condición saturada. Contrario a esto, de acuerdo con los

resultados de la Tabla 3-4 se tiene un incremento en el parámetro 𝜆 para los distintos

valores de succión respecto de la condición 𝑠 = 0.

Figura 3-16: Comparación de NCL para distintas condiciones de saturación

Este incremento en el parámetro 𝜆 sugiere un aumento en la compresibilidad del suelo de

estudio con el incremento de la succión. De acuerdo con Wesley (2003), los suelos

derivados de cenizas volcánicas pueden presentar incrementos en su compresibilidad

debido al rompimiento de las agregaciones de partículas alofánicas a nivel

microestructural, como se presume que ocurre al ser sometido a remoldeo. En este caso,

es posible que bajo los niveles de esfuerzo aplicados a las muestras, se haya logrado

producir este rompimiento o bien una distorsión en las esferas de alófana, convirtiendo al

material en una masa no estructurada homogénea, lo cual además suele estar

acompañado por cierta pérdida de resistencia y reducción en la permeabilidad. De la

misma manera, Maeda et al. (1977) explican que la distorsión en las partículas esféricas

individuales genera un empaquetamiento más cercano e irregular de las mismas, lo cual

podría generar poros de mayor magnitud.



Sin embargo, se requiere evidencia a nivel de caracterización de la microfábrica del suelo

de estudio por medio de técnicas como observaciones en microscopía electrónica (SEM y

TEM), porosimetría con intrusión de mercurio y demás, que permitan analizar en

profundidad este comportamiento y explicar el incremento en la compresibilidad con la

succión encontrado. No obstante, este tipo de ensayos no hicieron parte del alcance

planteado para esta investigación y por tanto, este tema hace parte de las limitaciones del

mismo.

De cualquier manera, se tiene que los resultados obtenidos son similares a los expuestos

por Ferrari et al. (2013) para suelos derivados de cenizas volcánicas de Costa Rica, donde

las curvas de compresibilidad del material determinadas para distintos valores de succión,

una vez excedido el esfuerzo de preconsolidación, presentan pendientes aparentemente

paralelas, concluyendo así que el material no presenta comportamientos de rigidización ni

ablandamiento con la succión. No obstante, este comportamiento no es consistente con

las formulaciones del BBM donde se supone que las pendientes de las NCL van

disminuyendo con los incrementos de succión. Por lo tanto, la relación exponencial

asintótica propuesta por Alonso et al. (1990) para la estimación de los valores de 𝜆(𝑠) no

resulta aplicable para el suelo de estudio en las condiciones de ensayo planteadas, de

modo que la respuesta volumétrica del mismo no podrá ser evaluada a la luz del BBM.

Cabe destacar que se requiere mayor evidencia experimental para determinar si el suelo

de estudio presenta también este comportamiento con niveles de esfuerzo de

confinamiento menores o por el contrario su respuesta volumétrica muestra que para

esfuerzos más bajos, las NCL del suelo en condición no saturada divergen de la NCL del

suelo saturado como propone el modelo de Josa et al. (1992).

3.2.4 Compresibilidad con succión variable

Para establecer la compresibilidad del material de estudio respecto a variaciones en la

succión, se determinó el volumen de muestras sometidas a distintos valores de succión tal

y como se describió anteriormente en el marco experimental. Esta curva de cambio

volumétrico siguió únicamente una trayectoria de secado (incremento en la succión) para

una condición de esfuerzo de confinamiento nulo que permitiera la estimación de algunos

parámetros de rigidez del suelo asociados únicamente a los cambios en la succión como


el 𝐶𝑐𝑠 y 𝐶𝑟𝑠 que corresponden a los coeficientes de compresión y recompresión en un

espacio 𝑒 − log 𝑠. La curva de compresibilidad determinada para este caso se muestra a

continuación en la Figura 3-17 partiendo de una relación de vacíos inicial de 3.47 hasta un

valor mínimo de 1.41 para una succión máxima de 13 470 kPa. Allí, se puede notar que

los puntos medidos muestran un comportamiento similar a las curvas de compresibilidad

determinadas anteriormente para los cambios en el esfuerzo vertical (σ’v) mostrando

inicialmente una región elástica anterior a los 100 kPa de succión y un punto de inflexión

hacia una región elastoplástica aproximadamente hacia los 200 y 300 kPa de succión.

Figura 3-17: Curva de compresibilidad respecto a la succión

Con estos resultados, es posible identificar en esta región elastoplástica el coeficiente 𝐶𝑐𝑠

que presenta un valor de 0.510. Por su parte, el coeficiente 𝐶𝑟𝑠 no puede ser establecido

de una manera confiable pues se requiere mayor evidencia experimental hacia la zona

más cercana a la saturación (𝑠 → 0) que permita vislumbrar de mejor manera la línea de

recompresión. Sin embargo, esta zona se encuentra por fuera del rango de medición del

WP4C empleado, ya que para succiones inferiores a los 80 kPa el equipo brinda valores

inconsistentes por lo que se requiere el complemento del ensayo con otras técnicas de

medición o control de la succión.



3.3 Caracterización mecánica

Ahora, se muestran y analizan los resultados de los ensayos de resistencia al corte para

la caracterización mecánica del material.

3.3.1 Resistencia al corte

De acuerdo con lo expuesto en la campaña experimental, la determinación de la resistencia

al corte del material de estudio se llevó a cabo por medio de ensayos de corte directo a

tres niveles de esfuerzo diferentes siguiendo el proceso allí descrito. Así, el esfuerzo

vertical de sitio fue estimado empleando el peso unitario total del suelo de 11.18 kN/m3 (ver

Tabla 3-1) y una columna de suelo de 1.50 m de atura. A continuación en la Tabla 3-5, se

muestran los valores de los esfuerzos verticales aplicados a cada muestra.

Tabla 3-5: Valores de esfuerzo vertical aplicado

Muestra No. de aplicaciones del esfuerzo vertical in-situ

Esfuerzo vertical aplicado (kN/m2)

C-1 1 14.53

C-2 2 29.07

C-3 3 58.14

Se emplearon los resultados obtenidos del ensayo de consolidación unidimensional, para

determinar el tiempo y velocidad de falla para la etapa de corte y la duración de la etapa

de consolidación en cada caso. A continuación de la Figura 3-18 a la Figura 3-20, se

muestran las curvas de consolidación obtenidas del ensayo edométrico saturado en cada

uno de los incrementos en los esfuerzos a considerar.


Figura 3-18: Curva de consolidación incremento de esfuerzo para muestra C-1


680

685

690

695

700

705

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

δ(in 1

0-4

)

√t (√min)

t 90=1.81

730

740

750

760

770

0 2 4 6 8 10 12

δ(in 1

0-4

)

√t (√min)

t 90=2.20

t90=4.84

t100=7.84

t90=3.28 t100=5.06




De los resultados mostrados, se tiene que para el mayor incremento de carga el 𝑡90

corresponde a 4.84 minutos, lo cual indica que el tiempo de falla (𝑡𝑓) de las muestras para

la etapa de corte será aproximadamente de 56 minutos y por tanto se adopta una velocidad

de falla de 0.1 mm/min. Cabe mencionar que previo a la etapa de corte, se permitió la

consolidación de las muestras de ensayo hasta el final de la consolidación primaria.

En la Figura 3-21, se muestran las trayectorias de los esfuerzos cortante (𝜏) y normal (𝜎)

obtenidas para cada uno de los ensayos realizados. Se encontró una envolvente de

resistencia lineal y se determinaron los parámetros de resistencia drenados 𝜙′ y 𝑐′ por

medio del criterio de falla de Coulomb, los cuales corresponden a 31.9° y 11.10 kPa

respectivamente.

890

900

910

920

930

940

950

960

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

δ(in 1

0-4

)

√t (√min)

t90=4.84

t100=7.84

t 90=2.20


Figura 3-21: Envolvente de resistencia corte directo

Contrario a lo esperado para un suelo de grano fino y altamente plástico, se encontró

parámetro ϕ’ mayor de 30° que es típico de materiales más gruesos que no muestren

plasticidad. Sin embargo, este resultado concuerda con lo encontrado por Rao (1995) y

Wesley (2009) para suelos derivados de cenizas volcánicas en condiciones inalteradas.

Así, se puede inferir que las muestras compactadas asemejan su comportamiento al de

especímenes inalterados en lugar de especímenes reconstituidos, para los cuales Jacquet

(1990) encontró valores de ϕ’ por debajo de los 15°.

Cabe mencionar que los ensayos de corte directo se plantearon para la presente

investigación con el fin de determinar el valor del parámetro ϕ’ que sería empleado en la

estimación del parámetro M para la aplicación del BBM en la modelación de la respuesta

mecánica del suelo estudio. Igualmente, importantes avances respecto de la influencia de

la succión en la resistencia al corte y la falla de suelos derivados de cenizas volcánicas en

Colombia han sido presentados por García-Leal (2004), García-Leal & Colmenares (2011)

y Viveros (2014).

4 Conclusiones y Recomendaciones

4.1 Conclusiones

En las exploraciones de campo se identificó que el suelo de estudio presenta una

consistencia altamente friable que dificulta su proceso de muestreo, especialmente en lo

que concierne a la obtención de muestras inalteradas que requieren de tallado. Por lo

mismo, todos los especímenes empleados en el desarrollo del programa experimental

propuesto fueron fabricados en laboratorio.

Las muestras de suelo ensayadas presentan contenidos de agua que oscilan en un rango

entre 120% y 135%. Se obtuvo también un valor 𝐺𝑠 de 2.49 y peso unitario seco de 5.02

kN/m3. En cuanto a la distribución de tamaños de partículas se encontró un suelo de grano

predominantemente fino con un 89% de partículas menores de 0.075 mm. Durante el

secado del material previo a los ensayos de caracterización, las partículas mostraron una

importante tendencia a la agregación. Por lo mismo y de acuerdo con Maeda, Takenaka,

& Warkentin (1977), en este caso la distribución de tamaños de partículas no es un índice

adecuado en la predicción del comportamiento del suelo de estudio sino un reflejo del

grado de agregación que este presentaba al momento del ensayo.

Se determinaron los límites de consistencia del suelo en condición natural y con secado

previo. En el primer caso se encontró un suelo altamente plástico con un límite líquido (LL)

162.4% y un índice de plasticidad (IP) de 35.6% y para condición seca se obtuvo una

completa e irreversible pérdida de plasticidad. De acuerdo con Warkentin & Maeda (1974),

esta abrupta pérdida refleja la presencia de alófana en la fracción coloidal del material. Por

lo anterior, se tiene que la caracterización física y clasificación convencional no son

confiables para el suelo de estudio. Los drásticos cambios físicos que presentan sus

partículas con la variación en el contenido de agua producto de cualquier tipo de proceso

de secado generan que la clasificación que se haga en términos de ensayos tradicionales



como la distribución granulométrica o los límites de consistencia sea una muestra de las

condiciones iniciales de cada ensayo y no de las características reales del material.

Para la construcción de la curva de retención de agua del material se combinaron las

metodologías de medición de succión con el higrómetro de punto de rocío (WP4C) y el

método del papel filtro. Las mediciones realizadas con ambos métodos caen dentro de la

misma nube puntos. Por lo tanto, se tiene que las succiones total y matricial del material

son lo suficientemente similares para definir que la componente de succión osmótica es

despreciable.

Los distintos puntos obtenidos en la curva de retención siguen la misma trayectoria. Esto

indica que si bien con el proceso de compactación no es posible recrear la misma fábrica

en cada una de las probetas empleadas, se logró suficiente similitud entre ellas para no

percibir la influencia de la humedad y densidad seca iniciales.

Si bien no se alcanzó a definir completamente la curva de retención de agua hacia los

contenidos de agua más cercanos a la saturación, las mediciones con papel filtro muestran

que el contenido de agua de saturación se encuentra alrededor del 140%. Igualmente el

suelo en condiciones naturales, previas al secado de las muestras, presenta valores

iniciales de succión que van de 30 a 80 kPa y que superan los 100 MPa para contenidos

de agua que se encuentran entre el 10% y el 20% confirmando que el material posee una

alta capacidad de retención de agua.

En comparación con los otros suelos derivados de cenizas volcánicas de Colombia y el

mundo analizados, se tiene que el suelo del Cauca estudiado en la presente investigación,

muestra una capacidad de retención notablemente mayor, conservando a un contenido de

agua del 130% valores de succión de aproximadamente 100 kPa, mientras que suelos

como el de Japón alcanza este valor de succión para contenidos de agua no mayores del

70%, lo que indica un contenido de agua de saturación un 86% mayor respecto al de Japón

y hasta un 300% mayor si se compara con suelos como el de Costa Rica.

En cuanto al comportamiento volumétrico, se encontró que el material de estudio es un

suelo de alta porosidad con relaciones de vacíos iniciales que se encuentran alrededor de

Conclusiones y Recomendaciones 83

3.80. Igualmente resultan ser altamente compresibles ante los incrementos en los

esfuerzos de confinamiento y de succión. Se alcanzaron valores de ∆e superiores a 1.5

para ∆σ’v de aproximadamente 2 000 kPa en condición saturada.

La curva de compresibilidad obtenida para el suelo de estudio en condición saturada en

comparación con las curvas de compresibilidad determinadas por Wesley (2009) para los

suelos de Indonesia, muestra que el espécimen compactado en laboratorio presenta un

comportamiento volumétrico más semejante a la curva de la muestra inalterada en

comparación con la muestra reconstituida, en la medida que presentan menor

compresibilidad para los esfuerzos iniciales antes de alcanzar el esfuerzo de pre

consolidación y contrario al caso de la muestra remoldeada exhiben un punto de inflexión

claro hacia la NCL.

Para la evaluación de la respuesta volumétrica del material en condiciones de saturación

parcial, se llevaron a cabo ensayos de compresibilidad con succión constante de 100 kPa,

400 kPa y 700 kPa que permitieron la estimación de los parámetros de rigidez 𝜆 y 𝜅 a

través de su estrecha relación con los coeficientes de compresión (𝐶𝑐) y recompresión (𝐶𝑟).

En el caso del parámetro 𝜆 se encontraron valores de 0.22 en condiciones de suelo

saturado y de 0.27 a 0.29 bajo incrementos en el nivel de succión. Por su parte, el valor de

𝜅 se mantuvo entre 0.01 y 0.02 en todos los casos, lo cual sugiere que este parámetro

elástico es efectivamente independiente de la succión. Cabe destacar que los resultados

obtenidos para la muestra ensayada a 100 kPa de succión no se tuvieron en cuenta en la

estimación de los parámetros, ya que ese ensayo en particular no siguió estrictamente el

protocolo de ensayo. Sus resultados justamente se emplearon en la optimización y

adaptación final de este protocolo mencionado.

Del ensayo de compresibilidad con succión variable se obtuvo un comportamiento similar

a las curvas determinadas en función de cambios en el esfuerzo vertical σ’v. Allí, se

estableció una región elastoplástica en la cual se determinó el coeficiente 𝐶𝑐𝑠 que presenta

un valor de 0.510. Sin embargo, no se logró establecer de una manera confiable la región

elástica para valores de succión menores de 80 kPa pues se requiere mayor evidencia

experimental que permita vislumbrar de mejor manera la línea de recompresión.



A partir de los ensayos de corte directo y del criterio de falla de Coulomb, se encontró una

envolvente de resistencia lineal y se determinaron los parámetros de resistencia drenados

𝜙′ y 𝑐′ para el suelo de estudio con valores de 31.9° y 11.10 kPa respectivamente. El valor

de este parámetro 𝜙′ concuerda con lo encontrado por Rao (1995) y Wesley (2009) para

suelos derivados de cenizas volcánicas en condiciones inalteradas. De esta manera, se

tiene que las muestras compactadas asemejan su comportamiento al de especímenes

inalterados en lugar de especímenes reconstituidos, para los cuales Jacquet (1990)

encontró valores de ϕ’ por debajo de los 15°.

Si bien la friabilidad del material dificulta la obtención de muestras inalteradas en campo y

el tallado de muestras fabricadas en laboratorio. Se encontró que las muestras

compactadas con las dimensiones requeridas por cada ensayo logran simular el

comportamiento natural del suelo de mejor manera en comparación con las muestras

reconstituidas, al menos en lo que se refiere a la resistencia al corte y las curvas de

compresibilidad en condición saturada.

Del análisis comparativo de las NCL obtenidas para el suelo de estudio en condición

saturada y parcialmente saturada con succión matricial de 400 kPa y 700 kPa se obtuvo

que conforme se incrementa el valor de la succión impuesta al material, las NCL se van

desplazando hacia la derecha mostrando un incremento en el esfuerzo de

preconsolidación, lo cual concuerda con las formulaciones realizadas por Alonso et al.

(1990) para la curva de cedencia LC.

También se puede notar que las NCL obtenidas para los valores de succión estudiados no

divergen de la línea correspondiente a la condición saturada. Contrario a esto, se tiene un

incremento en el parámetro 𝜆 para los distintos valores de succión respecto de la condición

𝑠 = 0, lo cual es similar a lo encontrado por Ferrari et al. (2013) para suelos derivados de

cenizas volcánicas de Costa Rica. El comportamiento del parámetro 𝜆 sugiere un aumento

en la compresibilidad del suelo de estudio con la succión. Esto podría asociarse a un

rompimiento de las agregaciones de partículas alofánicas a nivel microestructural. Sin

embargo, se requiere evidencia, que permita analizar en profundidad este comportamiento

y explicarlo. No obstante, la caracterización microestructural del suelo de estudio está fuera

Conclusiones y Recomendaciones 85

del alcance planteado para esta investigación y por tanto, este tema hace parte de las

limitaciones del mismo.

De la misma manera, este resulta no ser consistente con las formulaciones del Modelo

Básico de Barcelona (BBM), el cual tiene como hipótesis que las pendientes de las NCL

van disminuyendo con los incrementos de succión. Por lo tanto, la relación exponencial

asintótica propuesta por Alonso et al. (1990) para la estimación de los valores de los

parámetros 𝜆(𝑠) no resulta aplicable para el suelo de estudio en las condiciones de ensayo

planteadas, de modo que la respuesta volumétrica del mismo no podrá ser evaluada a la

luz del BBM.

Cabe destacar que se requiere mayor evidencia experimental para determinar si el suelo

de estudio presenta también este comportamiento con niveles de esfuerzo de

confinamiento menores o por el contrario su respuesta volumétrica muestra que para

esfuerzos más bajos, las NCL del suelo en condición no saturada divergen de la NCL del

suelo saturado como propone el modelo de Josa et al. (1992).

4.2 Recomendaciones

Para la realización de futuras investigaciones que permitan validar, complementar o

profundizar en el trabajo realizado en esta línea, se sugiere tener en cuenta los siguientes

puntos:

Se requiere la ampliación de la campaña experimental, incorporando ensayos de

composición mineralógica como la difracción de rayos X que permitan corroborar

la presencia de minerales alofánicos que condicionan ampliamente el

comportamiento del material de estudio. Igualmente, la evaluación de la respuesta

volumétrica encontrada requiere de validación a nivel microestructural, para lo cual

técnicas como la porosimetría con intrusión de mercurio, observaciones en

microscopio electrónico (SEM y/o TEM), entre otras, resultarían fundamentales en

el análisis de la respuesta volumétrica del suelo y posiblemente permitirían justificar

la tendencia al incremento de la compresibilidad con la succión.



Es necesario validar las respuestas obtenidas por parte del material de estudio en

la presente investigación sobre muestras inalteradas. Dado que la consistencia del

material dificulta la obtención de muestras, se recomienda el empleo de tubos

muestreadores con dimensiones tales que reduzcan lo más posible la manipulación

y tallado del suelo o bien, incrementar el número de bloques inalterados que se

recuperen en la exploración.

Para tener una menor restricción en relación a la aplicación de cargas a las

muestras en el consolidómetro con control de succión, sería necesario emplear un

marco de carga con una configuración tal, que se garantice que en ningún momento

el marco entrará en contacto con los bordes del anillo de consolidación permitiendo

así alcanzar un espectro de esfuerzos de confinamiento mayor al alcanzado en la

presente investigación o el desarrollo completo de la consolidación primaria en

todos los escalones de carga propuestos. Una configuración de este tipo también

permitiría la realización de ensayos sobre muestras con relación diámetro-altura de

al menos 2.5 en la cámara empleada.

El desarrollo de una cámara de consolidación que tenga control de esfuerzos

radiales permitiría identificar el instante en que las muestras que presenten

deformaciones radiales importantes con la imposición de la succión entren o dejen

de estar en contacto con las paredes del anillo de consolidación, además de

determinar el desarrollo de la variación en la relación entre esfuerzos verticales y

radiales.

Sería interesante consolidar mayor evidencia experimental para determinar si la

respuesta volumétrica aquí determinada es igual bajo cualquier nivel de esfuerzo

de confinamiento. Una ampliación en la campaña de caracterización volumétrica

permitiría analizar la validez de otros modelos constitutivos como aquellos

propuestos por Josa, Balmaceda, Gens, & Alonso (1992) y Wheeler & Sivakumar

(1995) en los cuales el comportamiento de las NCL en condición parcialmente

saturada no necesariamente deben ser infinitamente divergentes con relación a la

condición saturada. Esto con el fin de encontrar un modelo constitutivo que permita

reproducir la respuesta del material de estudio.

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Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 93

A. Anexo: Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio

En el presente apartado se presentan los resúmenes de los principales resultados de los

ensayos de laboratorio que hicieron parte del Marco Experimental del presente trabajo.

94 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de


24

667.17

683.64

221.51

167.03

54.48

Temperatura de Ensayo (°C)

Masa picnómetro + agua (g)

Masa picnómetro + agua + suelo (g)

Masa lechada seca (g)

Masa recipiente (g)

Masa suelo seco (g)


CURVA GRANULOMÉTRICA

° η



ψ


CONDICIONES DE ENSAYO

°


°


σv σv



Secado

--

Gs -- 2.493 5.02

6.33

4.36

137.16

11.21 10.72 13.61

e -- 3.88 3.76 2.33

Saturación (%) 79.46 72.04 91.26

°



σv σv

Equilibrio 0 0.008 0.77 3.91

Carga 1 1.268 124.39 3.70

Carga 2 2.528 248.01 3.49

Carga 4 5.048 495.25 3.09

Carga 8 10.089 989.73 2.54

Carga 16 20.170 1978.69 2.13

Descarga 8 10.089 989.73 2.14

Descarga 4 5.048 495.25 2.15

Descarga 2 2.528 248.01 2.15

Descarga 1 1.268 124.39 2.17

Descarga 0 0.008 0.77 2.20


Secado

--

Gs -- 2.493 4.88

6.34

4.36

137.65

11.20 10.72 13.61

e -- 4.01 3.88 2.41

Saturación (%) 80.46 73.16 92.86

°


σv σv

Equilibrio 0 0.008 0.77 4.00

Carga 1 1.268 124.39 3.86

Carga 2 2.528 248.01 3.67

Carga 4 5.048 495.25 3.31

Carga 8 10.089 989.73 2.81


φ' ° 32

C' kPa 11

TRAYECTORIAS DE ESFUERZO - ENVOLVENTE DE RESISTENCIA

PARÁMETROS DE RESISTENCIA


B. Anexo: Protocolo de Ensayo: Compresibilidad con Succión

Constante empleando la Técnica Osmótica

1. OBJETIVO

Determinar el comportamiento volumétrico de una muestra de suelo a través de la

obtención de curvas de compresibilidad de ensayos edométricos a distintos valores de

succión constante impuestos a la muestra por medio de la técnica osmótica.

2. RESUMEN DEL MÉTODO

La muestra de suelo es sometida a la aplicación de trayectorias de variación en el esfuerzo

neto de confinamiento en condición edométrica bajo la influencia de un esfuerzo de succión

constante de máximo 1 500 kPa, el cual se impone por medio de la circulación de una

solución acuosa de polietilenglicol (PEG) bajo una membrana semipermeable que se

encuentra en contacto con el material. Se realiza la continua medición del intercambio de

agua entre la muestra de suelo y el contenedor de la solución como de la deformación

vertical de la muestra de suelo para establecer la relación de vacíos que alcanza el material

en cada instante de tiempo. Finalmente, se verifica el valor de la succión impuesta a la

muestra empleando la técnica del papel filtro.

3. EQUIPO

Para la realización de los ensayos edométricos con control de succión por medio de la

técnica osmótica se emplea un consolidómetro de succión controlada también llamado

edómetro osmótico. Este consiste de una cámara de consolidación modificada para

permitir el paso de la solución acuosa de polietilenglicol (PEG) bajo una membrana



semipermeable que se encuentra en contacto con la muestra de suelo contenida en un

anillo de consolidación.

El presente protocolo de ensayo se desarrolla para el uso del edómetro osmótico

desarrollado por González (2005) en la Universidad Nacional de Colombia, con base en el

diseño desarrollado por Dineen & Burland (1995) y Dineen (1997), el cual permite imponer

succiones y mantenerlas constantes para la aplicación de trayectorias de carga-descarga

o bien aplicar trayectorias de humedecimiento-secado ante un esfuerzo de confinamiento

constante, según la respuesta volumétrica que se desee analizar.

El equipo consta de una cámara de consolidación, un contendor de vidrio para la solución

de polietilenglicol (PEG), una balanza electrónica para el control de la masa del reservorio,

mangueras de entrada y salida de la solución a la cámara, una bomba peristáltica que

garantiza la continua circulación de la solución en el sistema y un transductor de

desplazamiento (LVDT) para la medición del desplazamiento vertical de la muestra,

además del marco de aplicación de carga y un computador para la adquisición continua

de datos (ver Figura B-1).

Figura B-1: Consolidómetro de succión controlada

Anexo B. Protocolo de Ensayo: Compresibilidad con Succión Constante

empleando la Técnica Osmótica

113

3.1. Reservorio

Se empleó como reservorio para la solución salina un vaso de precipitado de vidrio

transparente con capacidad de 1 000 ml.

3.2. Balanza Electrónica

La ejecución de este tipo de ensayos requiere de constante medición del intercambio de

agua entre la muestra de suelo y el contenedor de la solución. Para ello se empleó una

balanza electrónica Sartorious Practum con adquisición automática de datos por medio de

conexión USB.

3.3. Bomba Peristáltica

Para la circulación de la solución se utilizó una bomba peristáltica Masterflex de velocidad

y oclusión variable que permite el uso de mangueras continuas. Se fijó un nivel de oclusión

de 3 para la bomba de manera que no se genere presión en el fluido de la manguera y una

velocidad de operación de la bomba de 10 rpm de acuerdo a lo recomendado por Dineen

(1997).

3.4. Mangueras de Entrada y Salida

Se emplearon dos (2) mangueras flexibles Masterflex Tygon L/S 15 para el ingreso y salida

de la solución.

3.5. Cámara de Consolidación

La cámara de consolidación empleada fue la desarrollada por Velosa (2006) en la

Universidad Nacional de Colombia. Esta cámara consta de una base con racores rápidos

para la conexión de las mangueras de entrada y salida de la solución salina. Adicional a

esto, la base cuenta con un reservorio para la solución en el cual se aloja una piedra porosa

que evita deformaciones verticales adicionales en la muestra por penetración de la misma

en el reservorio. Para el funcionamiento de la técnica se dispone y asegura la membrana

semipermeable sobre la piedra porosa por medio de los o-ring 1 y 2 mostrados en la Figura

B-2 de modo que no se permita el contacto entre la muestra de suelo y la solución salina.



Además de la base, la cámara cuenta con un anillo de consolidación en el cual se dispone

la muestra de suelo y un anillo de ajuste que asegura el de consolidación a la base de la

cámara. Finalmente, se tiene el bloque de carga que cuenta con un orificio para la

instalación de un tensiómetro IC (desarrollado por el Imperial College) que permita la

medición independiente de la succión de la muestra durante el ensayo. Sin embargo, en

esta investigación no fue posible implementar este instrumento debido a que el Laboratorio

de Geotecnia de la Universidad Nacional de Colombia no cuenta con este. Por lo tanto, la

succión impuesta en la muestra se verificó únicamente al final de cada ensayo a través de

la técnica del papel filtro.

Figura B-2: Cámara de Consolidación

3.6. Transductor de Desplazamiento (LVDT)

Para el caso de la deformación vertical se midió el desplazamiento del suelo por medio de

un LVDT con señal de salida de 0-5 V y rango de 50 mm conectado a una tarjeta de

adquisición de datos National Instruments de 14 bits, conectada igualmente por puerto

USB a un computador para la transferencia automática de los datos.



115

4. MATERIALES

Membranas sintéticas semipermeables polyethersulphone ultrafiltration con peso

molecular de 5 kDa.

Polietilenglicol (PEG) de 20.000 Da de peso molecular.

Agua destilada

5. PROCEDIMIENTO

5.1. Definición del valor de succión y preparación de la solución osmótica

La solución osmótica (salina) empleada para la imposición de la succión se preparó

disolviendo el PEG en agua destilada, empleando un agitador magnético hasta que se

obtuvieron soluciones completamente homogéneas. El valor de la succión impuesta a la

muestra depende principalmente de la concentración de la solución que se ponga a circular

en el sistema. Este valor se determinó con base en la relación cuadrática propuesta por

Delage, Howat, & Cui (1998) para las calibraciones mostradas en la Figura B-3.

𝑠 = 11𝑐2

Figura B-3: Succión impuesta para distintas concentraciones de solución PEG

Fuente: Tomado de: (Blatz et al., 2008)

5.2. Intervalo de adquisición de datos

La ejecución de este tipo de ensayos requiere de constante medición tanto del intercambio

de agua entre la muestra de suelo y el contenedor de la solución como de la deformación



vertical de la muestra de suelo. En ambos casos y dado que en general este tipo de

ensayos son de larga duración se estableció una frecuencia de adquisición de datos de 60

segundos.

5.3. Montaje del Ensayo

5.3.1. Pre acondicionamiento de la muestra

Dado que en un primer ensayo preliminar, con la probeta a ensayar compactada

directamente en el anillo de consolidación se encontró que los tiempos requeridos para

lograr una condición de equilibrio en términos de desplazamiento vertical e intercambio de

agua superan las 720 h (1 mes) para el material de estudio y, que el suelo presenta

deformaciones en la dirección radial tales que propiciaron su separación con las paredes

del anillo de consolidación (ver Figura B-4), se desarrolló un protocolo de pre

acondicionamiento para los especímenes de ensayo que permitió reducir el tiempo de

imposición de la succión deseada a la muestra y también controlar el volumen real de la

misma antes de la etapa de carga. Este protocolo se describe a continuación.

Figura B-4: Separación entre anillo y muestra por secado del material

Para los ensayos edométricos con control de succión, las probetas se compactaron

estáticamente en molde metálico de diámetro equivalente al del anillo de consolidación de

la cámara. Antes del montaje de los ensayos, los especímenes de ensayo se sometieron

a un proceso de secado con aire frío aplicado a una distancia mayor de 30 cm para evitar



117

el desprendimiento de partículas en la superficie de los mismos. Durante la aplicación de

aire se fueron girando las muestras para garantizar que el secado fuera lo más uniforme

posible.

Con el secado se llevaron las probetas a los contenidos de agua correspondientes a las

succiones deseadas en cada caso, de acuerdo a la curva de retención de agua obtenida

del material de estudio. Una vez alcanzado el contenido de agua objetivo, se midieron las

dimensiones y masa final del espécimen. Las muestras se envolvieron en papel vinipel y

aluminio y se llevaron al cuarto con temperatura y humedad controlada durante un período

mínimo de 24 horas para la homogenización del contenido de agua y la succión del suelo.

Finalmente se dispone la muestra en el anillo de consolidación lo más centrada posible y

se monta el ensayo permitiendo un tiempo de equilibrio con la solución salina de al menos

24 horas o hasta que tanto la deformación vertical como el intercambio de agua lleguen a

condición de equilibrio, una vez alcanzada dicha condición se procede a la aplicación de

la carga. Una vez terminados los ensayos se verificó que la muestra entró en contacto con

el anillo de consolidación y que no se presentó agrietamiento de la misma tal y como se

puede observar en la Figura B-5.

Figura B-5: Condiciones del espécimen con pre acondicionamiento al final del ensayo.

El comportamiento que exhibe el material de estudio en trayectorias de secado bajo

esfuerzos verticales bajos o nulos genera gran incertidumbre del cumplimiento de las

condiciones edométricas durante el ensayo, ya que no se tiene certeza ni control del



momento en que la muestra entra en contacto con las paredes del anillo y se simula

efectivamente tal condición. No obstante, el procedimiento aquí descrito permite no solo

que el tiempo de ejecución de la prueba se reduzca notablemente sino que permite hacer

una aproximación al error que se tendría en la estimación de la relación de vacíos del

espécimen antes de la aplicación de la carga por medio de la medición de su volumen

efectivo antes del montaje.

5.3.2. Control de la evaporación

Al emplear la técnica osmótica, la medición del intercambio de agua es fundamental para

estimar el contenido de agua de la muestra en todo momento. Sin embargo, dada la

duración de los ensayos se puede presentar evaporación del agua en la solución,

modificando no solo las lecturas del intercambio sino la concentración de la solución salina.

Para mitigar estos efectos se aplicó en el contenedor de la solución un sello de

aproximadamente 30 mm de espesor de aceite de silicona y se colocó un plato de vidrio

que redujo el área específica de evaporación tal y como se muestra en la Figura B-6.

Figura B-6: Minimización de la evaporación en el Contenedor

Igualmente, para corregir los efectos de este fenómeno sobre las lecturas de intercambio

de agua se llevó a cabo una calibración de las pérdidas por evaporación potenciales en el

sistema. Para una solución de PEG con potencial osmótico de 100 kPa. Se permitió que

la solución circulara libremente en el sistema sin interacción con una muestra de suelo por



119

un periodo de 80 horas en el que se estimaron pérdidas de 0.007 g/h para un ajuste lineal

de los datos medidos tal y como se muestra en la Figura B-7.

Figura B-7: Calibración pérdidas por evaporación en el sistema

Finalmente, durante el montaje de los ensayos se colocaron dos capas de papel vinipel en

la parte superior de la cámara de consolidación (ver Figura B-8). Esto con el fin de reducir

la interacción entre el espécimen de ensayo y la atmósfera que pueden producir

alteraciones en el contenido de agua del mismo.

Figura B-8: Protección de la muestra por evaporación

y = -0.007x + 1160.7R² = 0.9345

1159.5

1159.7

1159.9

1160.1

1160.3

1160.5

1160.7

1160.9

1161.1

1161.3

1161.5

0 20 40 60 80

masa (

g)

tiempo (h)



5.4. Incrementos y decrementos de carga

La aplicación de la carga en estos ensayos se realizó de forma análoga a las pruebas en

condiciones saturadas a través de pesas colocadas en el marco de consolidación,

aplicando para cada escalón el doble de la carga del incremento de carga anterior. Los

incrementos de carga fueron aplicados una vez que se alcanzó una condición de equilibrio

tanto en la deformación vertical de la muestra como en el intercambio de agua con el

contenedor de la solución salina. En ningún caso se aplicó un nuevo incremento de carga

antes de haber transcurrido 24 horas del anterior incremento.

5.5. Verificación de la Succión impuesta

Una vez finalizado el ensayo se desmonta el espécimen lo más rápido posible para no

alterar sus condiciones de humedad y succión, se tomaron sus dimensiones finales y se

verifica la succión empleando la técnica del papel filtro permitiendo un tiempo de equilibrio

de siete (7) días. Una vez terminada dicha verificación se determina el contenido de agua

final de la muestra.

6. RESULTADOS

Para cada uno de los valores de succión impuestos:

Se determinó la relación de vacíos (𝑒) del material en cada instante de tiempo, con

base en las mediciones de deformación vertical e intercambio de agua.

Se graficaron los valores de 𝑒 y del intercambio de agua obtenidos en función del

tiempo de ensayo.

Para el final de cada incremento o decremento de carga se estimó el valor de 𝑒 y

se graficó en función del esfuerzo vertical neto para obtener la curva de

compresibilidad.

De las curvas de compresibilidad obtenidas se identificaron las líneas de

compresión normal (NCL) y las líneas de descarga-recarga (URL) correspondientes



121

y se estimaron los parámetros de rigidez asociados a cada una de las succiones

ensayadas.

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