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    10  ENSAYOS DINÁMICOS 

    Con el objeto de conocer el comportamiento dinámico del suelo a diferentes niveles de deformación, se realizaron ensayos de Columna Resonante , Triaxial Cíclico y se tomaron datos de Bender Element de la MZSVA(2009),  a las muestras de suelo residual y del saprolito. Los ensayos se hicieron  baja condiciones naturales  del  suelo  (sin  saturar  y  sin  consolidar).  En  la  Tabla  16,  se  muestra  la  relación  de  ensayos realizados a las muestras de suelos. 

    Tabla 15. Relación de ensayos triaxial cíclico realizados. 

    RELACIÓN DE ENSAYOS DINÁMICOS 

    Suelos  Muestras  Ensayos Nivel de deformación 

    (unitaria) 

    Suelo Residual APC 1 

    Columna resonante 1E‐2 a 1E‐3 

    Triaxial cíclico 1E‐2 a 1E‐1 

    APC 2 Columna resonante 1E‐2 a 1E‐3 

    Triaxial cíclico >1E‐1 

    Saprolito 

    APC 4  Columna resonante   1E‐2 a 1E‐3 Triaxial cíclico   1E‐2 a 1E‐1 

    APC 5 Columna resonante 1E‐2 a 1E‐3 

    Triaxial cíclico >1E‐1 

    APC 6 Columna resonante 1E‐2 a 1E‐3 

    Triaxial cíclico 1E‐2 a 1E‐1 

    En la Tabla 16 se  presentan las condiciones iníciales de las muestras ensayadas. 

    Tabla 16. Caracterización de las muestras ensayadas con triaxial cíclico. 

    Muestra  Material  IP Prof. (m) 

    Presión de confinamiento efectiva (KPa) 

    Peso específico 

    de sólidos 

    (Gs) 

    Peso 

    unitario húmedo (KN/m

    3) 

    peso 

    unitario seco 

    (KN/m3) 

    Relación 

    de vacios 

    (e) 

    Grado de saturación 

    S (%) 

    APC 1  SR  21,000  4  43  2,662  19,300  14,900  0,780  100,000 

    APC 2  SR  16,000  4  43 2,627 19,300 15,100  0,740  98,500

    APC 4  SP  3,000  9  108  2,775 19,300 16,700  0,660  64,000

    APC 5  SP  5,200  9  108 2,708 18,850 15,000  0,805  85,500

    APC 6  SP  3,200  9  108 2,738 19,650 16,600  0,645  76.500

     

    Los  resultados  de  los  ensayos  triaxial  y  columna  resonante  realizados  en  el  suelo  residual  y  el  en 

    saprolito se

     muestran

     de

     la

     Figura

     24

     a la

     Figura

     27.

     

    Las muestras a APC 1 y APC 2 corresponden a suelos residuales. Se observa que el suelo APC1 presenta una mayor rigidez y menor  amortiguamiento que la muestra APC 2 en el ensayo de columna resonante, es decir para bajas deformaciones. (Figura 24) En el ensayo triaxial (Figura 25) la tendencia permanece, pero se observa que para una deformación entre 0.1%  ‐ 0.15 % y a partir del 0.18%  el amortiguamiento de  la  muestra  APC  1  es  más  bajo  que  en  la  muestra  APC  2  a  pesar  que  esta  última  presenta  menor rigidez. 

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    Figura 24. Resultado del Ensayo de Columna resonante_ Suelo Residual 

    Figura 25. Resultado del ensayo de Triaxial Cíclico  _ Suelo Residual 

    Las muestras APC4, APC 5 y APC6 corresponden a saprolito. Se observa que para bajas deformaciones (>0.1%)  el  suelo  de  mayor  rigidez  presenta  mayor  amortiguamiento  (Figura  26),  para  deformaciones mayores  (Figura  27),  las  muestras  presentan  rigideces  muy  similares,  con  diferencia  menor  de  20 Kg/cm2. En el amortiguamiento tiene una tendencia más definida donde se observa que la muestra APC 6  que  en  términos  generales  tiene  mayor  rigidez  también  presenta  mayor  amortiguamiento  y  en  la muestra  APC  4  donde  se  obtuvo  una  menor  rigidez  que  la  muestra  APC  5  presenta  menor amortiguamiento. 

    Figura 26. Resultado del Ensayo de Columna Resonante_ Saprolito 

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    Figura 27. Resultado del ensayo de Triaxial Cíclico  _ Saprolito 

    Comparando  las muestras del suelo residual y del saprolito,  ensayadas mediante la Columna Resonante se puede decir  que para un mismo nivel de deformación las muestras del suelo residual (APC 1 y APC 2) presentan un mayor amortiguamiento que  las muestras del saprolito. Sin embargo el comportamiento que se observa con respecto a  la rigidez no es tan claro, debido a que en algunos  intervalos se observa 

    que las

     rigideces

     en

     el

     suelo

     residual

     son

     mayores

     para

     las

     muestras

     APC

     4 y APC

     5 y 

    son inferiores

     a la

     

    rigideces que presenta la APC 6 del saprolito. 

    Figura 28. Resultado del ensayo de Columna Resonante  _ Saprolito y Suelo residual 

    Con respecto al ensayo triaxial cíclico  se tiene que para los niveles de deformación estudiados, los cuales son  menores  de  2%  ,  los  suelos  residuales  presentan  un  comportamiento  muy  similar  ,  con amortiguamientos menores del 18% y rigideces entre 0 Kg/cm2 y  250 Kg/cm2 

    Figura 29. Resultado del ensayo de Triaxial Cíclico  _ Saprolito y Suelo residual 

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    10.1  CURVA DE DEGRADACION 

    Curva de degradación del Módulo de Rigidez 

    La curva de degradación del módulo describe en otros términos la variación del módulo de corte con la deformación angular.  Esta curva es normalizada con respecto a la rigidez máxima (G/G Max) y depende, 

    además de

     los

     factores

     que

     afectan

     el

     módulo

     de

     corte,

     de

     la

     velocidad

     y forma

     de

     la

     carga

     (cíclica

     o 

    monotónica). 

    El ajuste de la curva de degradación del suelo se realizó mediantes los modelos propuesto por  Hardin & Drnevich  que  fue  modificado  por  Otálvaro  en  2005.  La  ecuación  para  aplicar  al  módulo  de  rigidez  se representa mediante  la  forma que se  presenta en  la Ecuación 54 y  la cual  fue objeto de  análisis en el capítulo 2. 

    Ecuación 54.m

    n

     MaxG

    G

    ⎥⎥⎦

    ⎢⎢⎣

    ⎟⎟ ⎠

     ⎞

    ⎜⎜⎝ 

    ⎛ +

    =

    γ 

    γ 1

    Como  parte  de  la  Microzonificación  Sísmica  de  Valle  del  Aburrá  (MZSVA,2009),  se  realizaron  unos ajustes que  definieron  dos  bandas envolventes  de  los datos  medidos  en  laboratorio,  de  tal  modo que representen  la posible variación  de  las propiedades dinámicas del suelo,  acotando  los datos mediante límites superior e  inferior.  Esto con el  fin de poder realizar una variación aleatoria entre estas bandas para la asignación de propiedades  dinámicas de cada formación litológica. Los parámetros de las bandas obtenidos de los ajustes para cada unidad litológica se resumen en la siguiente tabla: 

    Tabla 17. Parámetros de Curvas de degradación de rigidez y amortiguamiento 

    FORMACIÓN 

    CURVA DE

     DEGRADACIÓN

     MÓDULO

     G 

     

    (HARDIN) AMORTIGUAMIENTO,

     %

     

    (ROMO) 

    n  m  r (máx)  r (mín)  mín  máx  ρ

    (máx)  r (mín) 

    1.  S.R. Anfibolita  1,10  0,35  0,018  0,003  2,67  24,53  0,02  0,002 

    2.  S.R. Gneis  1,55  0,40  0,048  0,005  1,96  27,82  0,15  0,006 

    3.  S.R. Dunita  0,80  0,60  0,080  0,006  6,96  30,67  0,80  0,040 

    4.  S.R. Esquistos  2,50  0,25  0,030  0,012  3,00  22,00  0,20  0,010 

    5.  S. R. Granodiorita y Cuarzodiorita  1,30  0,45  0,075  0,010  4,01  28,38  0,01  0,090 

    6.  S.R. Diorita  2,20  0,30  0,025  0,008  4,49  14,90  0,01  0,150 

    7.  S. R. Gabro  1,50  0,45  0,050  0,008  3,13  14,77  0,01  0,200 

    8.  Vertientes. R. Migmatitas  1,80  0,35  0,090  0,005  3,0  23,0  0,007  0,19 

    9. 

    S. R.

     Rocas

     Volcánicas

     1,80

     0,35

     0,090

     0,005

     3,0

     23,0

     0,007

     0,19

     10.  Depósitos  de  deslizamiento  y  de vertiente 

    1,50  0,35  0,050  0,005  0,22  16,15  0,02  0,300 

    11. Flujos de lodos y escombros, recientes y meteorizados 

    1,80  0,35  0,090  0,005  3,00  23,00  0,007  0,19 

    12 .  Depósitos Aluviales  1,60  0,45  0,150  0,007  1,33  23,00  0,02  0,001 

    13.  Depósitos Aluvio‐torrenciales  2,00  0,21  0,008  0,002  4,78  23,52  0,50  0,060 

    (Tomado de MZSVA, 2009) 

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     En relación con lo anterior, la Figura 30  y la Figura 31 muestran  las curvas de degradación del módulo de rigidez del suelo residual y del saprolito derivados del Esquisto Micáceo. 

    Figura 30. Curva de degradación del Suelo Residual 

    Figura 31. Curva de degradación del Saprolito 

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    Amortiguamiento 

    De acuerdo con el modelo hiperbólico  propuesto por Romo  ‐ en 1987,  la ecuación para determinar  la 

    fracción  de  amortiguamiento  crítico  (Ecuación  55)  es  función  del  γ m  (deformación  de  referencia) 

    obtenido del ajuste de G/Gmax .  El amortiguamiento mínimo  ( β min), para deformaciones muy pequeñas 

    (1x10

    ‐4

    %) 

    controla 

    la 

    tendencia 

    de 

    la 

    curva 

    hasta 

    la 

    deformación 

    de 

    referencia 

    (γ m) 

    el 

    amortiguamiento 

    máximo ( β max ), limita el crecimiento de la curva para valores mayores a γ m y equivale al amortiguamiento para una deformación teórica de 100%. 

    Ecuación 55 

    minmaxmin

    min

    1

     β  β 

    γ 

    γ 

     β 

    γ 

    γ 

     β  β 

    −+

    +=

    m

    m  

    Las curvas del amortiguamiento del saprolito y del suelo residual se muestran en la Figura 32  y laFigura 

    33. 

    Figura 32. Curva de degradación del Suelo Residual 

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    Figura 33. Curva de degradación del Saprolito 

    Umbrales de deformación 

    De acuerdo con Okur et al  (2005), los umbrales de deformación elástico y viscoplástico tienen la forma de  la  Ecuación  53.  Estos  umbrales,  como  sus  nombres  los expresas,  indican hasta  que  deformación  el suelo presenta un comportamiento elastico y plastico respectivamente. 

    El  valor  de  índice  de  plasticidad  a  utilizar  será  el  promedio  de  los  índices  de  plasticidad  de  los  suelos estudiados en esta investigación (ver Tabla 11). De la aplicación de la ecuación , se tienen  los umbrales de deformaciones para el suelo residual y el saprolito.Así  mismo  tambien se obtuvo la deformacicón de 

    cedencia  (γy)  mediante  el  concepto  que  corresponde  a  la  zona  donde  se  incrementa  súbitamente  la pérdida de rigidez (Otálvaro 2005, Betancur (2006) y  Sanin(1999)). 

    Tabla 18. Umbrales de deformación según Okur(2005)_Suelo Residual 

    IP  YE (%) Y

    P(%)

    18,5 1,22E‐02 1,55

     

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    Figura 34.Umbrales de deformación  _ Suelo Residual 

    Tabla 19. Umbrales de deformación según Okur(2005)_Saprolito 

    IP  YE 

    (%) YP 

    (%)3.8 3,82E‐03 1,1E+00

     

    Figura 35.Umbrales de deformación  _ Saprolito 

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    Los resultados obtenidos, se concluye que  a mayor índice de plasticidad, más grande es el rango elástico del suelo, situación que se reportó tanto para el umbral de obtenido mediante  las ecuaciones de Okur cómo por umbral de cedencia, así  como el hecho que el suelo presente menor  índice plasticidad hace que  tenga  un  intervalo  de  comportamiento  plástico  más  amplio  y  de  igual  forma  se  alcance  a  más temprana deformación, el umbral de deformación plástica. El umbral de deformación elástica en el suelo residual

     debería

     estar

     en

     el

     orden

     de

     6E

    ‐03%

     o menos

     de

     acuerdo

     con

     la

     curva

     de

     degradación

     y la

     

    deformación  de  cedencia  ,  pero  mediante  la  Ecuación  53  de  Okur,  se  obtuvo  1,77E‐02%  de  umbral elástico,  lo  que  da  una  diferencia  de  1,27E‐02%.  En  el  saprolito  la  diferencia  entre  el  umbral  elástico calculado  (3,69E‐03%) y real  (2,2  E‐03%) es menor.  Se puede concluir que el umbral elástico propuesto por Okur, muestra un valor más  acertado para el saprolito que para el suelo residual. 

    En la investigación realizada por Betancur en el 2006, hizo su estudio sobre el Stock de Altavista. El Stock de  Altavista  es  un  cuerpo  de  roca  ígneo  que  se  caracteriza  por  su  diversidad  petrográfica,  textural  y estructural  producto  de  varios  eventos  magmáticos.  Presenta  tres  facies:  autolítica  de  composición diorítica, de transición y félsica, en la que predominan el granito y la granodiorita. 

    Facies 

     Autolítica 

    está conformada

     por

     un

     conjunto

     de

     rocas

     ígneas

     intrusivas,

     tales

     como

     microdioritas

     

    hornbléndicas, dioritas hornbléndicas y dioritas piroxénicas. Son rocas masivas, faneríticas, de grano fino a medio, de color gris oscuro, verdoso, negro o moteado cuando son de grano grueso. Esta  facies  fue estudiada en la ladrillera Alcarraza. 

    Facies  Félsica.  La  componen  un  conjunto  de  rocas  ígneas  (granodiorita,  granito  y  cuarzodiorita).  Son intrusivas, masivas,  faneríticas,  inequigranulares, de grano medio a  fino, color blanco  lechoso o blanco grisáceo  con  motas  negras.  Los  minerales  que  se  encuentran  en  mayor  proporción  son  cuarzo, feldespato y en menor cantidad biotita y anfíbol.  Esta facies fue investigada en la finca Agropecuaria La Serranía. Además de los sitios anteriores también se observó el comportamiento de algunas muestras de suelos  extraídas  de  perforaciones  que  se  realizaron  en  la  Universidad  de  Medellín  y  el  Colegio  Padre 

    Manyanet, 

    dentro 

    del 

    marco 

    de 

    la 

    Microzonificación 

    Sísmica 

    de 

    Medellín. 

    En 

    total 

    se 

    clasificaron 

    16 

    muestras en  la  Serranía, siete  (7)  en Alcarraza,  tres  (3) en  el  Colegio  Padre  Manyanet y  dos  (2) en  el Universidad de Medellín. 

    Con el objeto de hacer un análisis comparativo de  los suelos derivados de roca metamórfica estudiada en esta tesis y de la roca  ígnea  investigada por Betancur, a  los suelos de origen ígneo  se les calcularon los umbrales de deformación, de acuerdo con las ecuaciones  propuestas por Okur (Tabla 20 ). 

    Tabla 20. Índice de plasticidad y umbrales de deformación de las  muestras ensayadas Por Betancur (2006) 

    PROFUNDIDAD (m)

     

    HORIZONTE DE

    METEORIZACIÓN 

    CLASIFICACIÓN IP  UMBRALES DE DEFORMACIÓN

    YE (%)  YP (%) 

    SERRANÍA_FACIES FÉLSICA(GRANITO) 

    IB Suelo residual

    derivado de granito

    SM  6  4,6E‐03  1,2E+00 

    1,4  SM  15 9,6E‐03  1,5E+00 

    2  SM  8  5,5E‐03  1,3E+00 

    3  SM  6  4,6E‐03  1,2E+00 

    4  ML  9  6,0E‐03  1,3E+00 

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    PROFUNDIDAD (m) HORIZONTE DE

    METEORIZACIÓN  CLASIFICACIÓN IP UMBRALES DE DEFORMACIÓN

    YE (%)  YP (%) 

    5  IB Suelo residual

    derivado de granito

    ML  10 6,5E‐03  1,3E+00 

    SC 

    11 7,0E‐03

     1,3E+00

     

    ALCARRAZA_FACIE AUTOLÍTICA(DIORITA)  

    IC Suelo residual derivado de granito.

    Saprolito 

    SM  NP  

    8  SM  6  4,6E‐03  1,2E+00 

    9  SM  NP  

    10  SM  7  5,1E‐03  1,2E+00 

    11  SM  NP  

    12  SP‐SP  10 6,5E‐03  1,3E+00 

    13  SM  6  4,6E‐03  1,2E+00 

    14  SM  8  5,5E‐03  1,3E+00 

    15  SM‐SC  6  4,6E‐03  1,2E+00 

    1,5  IB Suelo residual

    derivado de diorita

    MH  8  5,5E‐03  1,3E+00 

    3  MH  5  4,3E‐03  1,1E+00 

    IC Suelo residual derivado de diorita.

    Saprolito 

    MH  14 8,9E‐03  1,4E+00 

    10,5  SM  NP

    13  MH  23 1,6E‐02  1,7E+00 

    14  MH  9  6,0E‐03  1,3E+00 

    18  MH  7  5,1E‐03  1,2E+00 

    COLEGIO PADRE MANYANET_FACIE INTERMEDIA(GRANO DIORITA) 

    6,3  IB 

    ML 

    14 8,9E‐03

     1,4E+00

     

    12,5  ML  10 6,5E‐03  1,3E+00 

    18,5  ML  9  6,0E‐03  1,3E+00 

    UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN_ FACIE INTERMEDIA (GRANO DIORITA) 

    1,75 IC 

    CH  29 2,1E‐02  1,8E+00 

    18,68  ML  6  4,6E‐03  1,2E+00 

    Adaptada de Betancur, 2006. 

    Se observa que  los umbrales de deformación elástica de  las  rocas  ígneas, son mucho mayores que  los que se obtuvieron para el saprolito de la roca metamórfica y menores al umbral obtenido para el suelo residual, a excepción  de la muestra de Betancur extraída a una profundidad de  1,75 m en la Universidad 

    de 

    Medellín. También

     se

     observa

     que

     el

     rango

     de

     deformaciones

     de

     las

     rocas

     ígneas

     se

     encuentra

     en

     el

     

    intervalo comprendido entre el 4,3E‐03% y 9,6E‐03%. 

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    66

     

    Figura 36. Umbral de deformación elástica y umbrales de deformación de las  muestras ensayadas 

    Al igual que los umbrales de deformación elástica, las deformaciones plásticas de los suelos de las rocas ígneas  se  encuentran  en  el  rango  de  deformación  que  se  tiene  para  el  suelo  saprolito  de  la  roca metamórfica,  lo  que  indica  que  el  comportamiento  puede  ser  generalizado  en  el  suelo  residual  y  el saprolito de la rocas ígneas. 

    De  lo  anterior  se  deduce  que  el  saprolito  de  la  roca  ígnea  presenta  un  intervalo  menor  de comportamiento  elástico  y  alcanza  el  rango  plástico  a  menores  deformaciones  que  el  saprolito  de  la roca metamórfica estudiada en esta  investigación. Se puede decir que en términos generales los suelos de la roca ígnea sufren una mayor degradación de la rigidez que los suelos de la roca metamórfica. 

    Figura 37. Umbral de deformación elástica y umbrales de deformación de las  muestras ensayadas 

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    0,0E+00 5,0E‐03 1,0E‐02 1,5E‐02 2,0E‐02 2,5E‐02

         P     R     O     F     U     N     D     I     D     A     D     (    m

         )

    UMBRAL 

    DE 

    DEFORMACIÓN 

    ELÁSTICA 

    (%)

    UMBRALE S DE DEFORMACION

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    2

    4

    6

    8

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    12

    14

    16

    18

    20

    1 ,0 E+ 00 1 ,1 E+ 00 1 ,2 E+ 00 1 ,3 E+ 00 1 ,4 E+ 00 1 ,5 E+ 00 1 ,6 E+ 00 1 ,7 E+ 00 1 ,8 E+ 00 1 ,9 E+ 00

         P     R     O     F     U     N     D     I     D     A     D     (    m     )

    UMBRAL DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA (%)

    UMBRALE S DE DEFORMACION

    A LCA RRA ZA COLE GI O PADRE MANYANET UNIVERSIDAD  DE MEDELLIN S UE LO RES IDUA L S AP ROLIT O S ERRA NÍ A

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    67

     

    En  la  Figura  38  (adaptada  de  Betancur, 2006)  se  muestran  las  curvas  de  degradación  para  diferentes suelos residuales de Medellín. Se observa que  los umbrales de deformaciones propuestos por Okur se encuentran muy distantes de los umbrales reales para los suelos de la Serranía y de Alcarraza (Betancur, 2006), los cuales están en el orden de 0,0009% o menos, mientras que mediante  las ecuaciones de Okur los valores son de 0,005 % y 0,0062 % respectivamente. Esta misma disparidad ocurre con en el caso de los umbrales plásticos. 

    Sin embargo estos umbrales muestran valores muy acertados para suelos residuales de roca  ígnea con mayor  índice  de  plasticidad,  es  decir  para  suelos  más  plásticos  o  muy  meteorizados,  lo  anterior  es análogo a  lo que  se observó en los suelos residuales de la roca metamórfica, que indicó que para suelos más meteorizados los umbrales de deformación son menos representativo del comportamiento. 

    Figura  38.  Comparación  de  las  curvas  de  G /Gmax   obtenidas  por  Dobry  y  Vucetic  con  los  suelos Residuales  de  Medellín  y  los  umbrales  de  deformación  propuesto  por  Okur.  Adaptada  de  Betancur 2006. 

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    11  MICROESTRUCTURAS DE LOS SUELOS_ POST ENSAYOS DINÁMICOS 

    Una vez realizados los ensayos cíclicos se hicieron observaciones microscópicas de la microestructura de los  suelos,  con  el  objeto  de  determinar  la  presencia  de  deformaciones  o  cualquier  alteración  que  se genere en la micro‐estructura producto de los ensayos realizados, en el suelo residual y en el saprolito. 

    Suelo Residual 

    Para  evaluar  la  estructura  del  suelo  después  de  haber  efectuado  los  ensayos  dinámicos  descritos,  se realizaron observaciones en el microscopio  óptico y microscopio electrónico de barrido. 

    En la matriz existen evidencias de deformaciones, en ésta se  observaron microfisuras  una vez realizado el ensayo de columna resonante. En  la Fotografía 14 se observan microfisuras cortas  y en la Fotografía 15 existen microfisuras largas, donde se observa que la microestructura más larga  rompe la continuidad de una venilla del suelo. 

    Fotografía 14. Microfisuras cortas  _ Suelo Residual (Microscopio óptico‐Aumento de 20X) 

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    Fotografía 15. Microfisuras continuas  _ Suelo Residual (Microscopio óptico‐Aumento de 20X) 

    Las  microfisuras  también  se  hicieron  evidentes  en  las  observación  que  se  realizó  en  una  muestra  del suelo residual una vez  fueron sometidas al ensayo de columna resonante. 

    Fotografía 16. Microfisuras  _ Suelo Residual (SEM) 

    Sin  embargo  el  mineral  más  deteriorado  fue  el  cuarzo,  es  evidente  su  fracturación.  El  hecho  que  la matriz presente menos afectación que el cuarzo se debe a que la matriz está compuesta principalmente por minerales producto de la meteorización de la moscovita, que entre sus propiedades más relevantes desde  el  punto  de  vista  mecánico  está  la  capacidad  de  tener  un  comportamiento  plástico,  que  les 

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    permite manera p 

    Esquemátestructurdestrucci17).

     

    Foto 

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    en 

    el 

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    COLUM

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    NA RESONA

    XIAL CICLICO

     

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    TE 

    (Microscopi

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    cíclico

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    70

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    Saprolito 

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    st Ensayos 

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    COLUMN

    TRIAXI

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    RESONANT

    L CICLICO

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    71

     

    zo. En uarzo ante. 

    os  de 

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    COLUMNA RESONANTE 

    TRIAXIAL CICLICO

     

    Fotografía 19. Post ensayos dinámicos  _ Saprolito (Microscopio óptico  _Aumento de 20X) 

    En la observación del microscopio electrónico son evidentes esas fracturas tanto en el los fragmentos de cuarzo como en la matriz, pero se formaron después del ensayo de triaxial cíclico. 

  • 8/18/2019 ensayos dinamicos

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    73

    COLUMNA RESONANTE 

    TRIAXIAL CICLICO

     

    Fotografía 20.

     Post

     ensayos

     dinámicos

      _

     Saprolito

     (Microscopio

     electrónico

     de

     Barrido)

     

    11.1  ANÁLISIS DE RESULTADOS 

    Entre los resultados preliminares de esta tesis se plantearon las siguientes hipótesis: 

    •  La deformación de cedencia es el umbral donde el suelo rompe su estructura mineralógica. •  La deformación de cedencia depende del índice de plasticidad y del tipo de suelo. •  El grado de meteorización del suelo es determinante para la deformación de cedencia. 

    De acuerdo con lo observado en este estudio se concluye que existe  una destrucción de la estructura del suelo. En este caso en particular es evidente por la fragmentación que sufren  los minerales de cuarzo y las grietas que se generan en la matriz. 

    En  el  suelo  residual  la  matriz  se  empieza  a  agrietar  desde  el  ensayo  de  columna  resonante,  esto  es debido a que  ésta presenta menos fragmentos de cuarzo, para soportar las cargas cíclicas, por lo que la estructura del suelo se destruye más rápidamente. Sin embargo, el mayor grado de afectación lo sufrió el 

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    cuarzo. Es de conocimiento general y por los resultados obtenidos, decir que la meteorización de la roca ha generado una matriz plástica que permite amortiguar los esfuerzos a los que está siendo sometida. 

    En la Figura 39 se comparan los umbrales de deformación obtenidos mediante las ecuaciones  propuesta por Okur y el grado de deformación que sufre el suelo una vez realizados los ensayos cíclicos, se concluye que  el  suelo  residual  sufre  deformaciones  irreversibles  antes  que  se  alcance  el  umbral  elástico propuesto

     por

     este

     autor,

     sin

     embargo

     antes

     de

     la

     deformación

     de

     cedencia

     es

     poco

     probable

     que

     

    existan  deformaciones.  También  se  observa  que  el  suelo  antes  de  alcanzar  el  umbral  plástico  sufre fracturas de los minerales de cuarzo. 

    SUELO RESIDUAL

     ESTADO NATURAL  COLUMNA RESONANTE TRIAXIAL CICLICO

     

    Figura 39. Degradación microestructural del suelo residual  (Microscopio óptico  _Aumento de 20X) 

    Aunque  el  umbral  elástico  del  saprolito  está  más  próximo  al  verdadero  de  acuerdo  con  la  curva  de degradación (Figura 40). Se concluye que para este suelo la deformación de cedencia y el umbral elástico se  encuentran  más  cercanos  y  es  poco  probable  que  antes  de  estos  umbrales  se  hayan  generado deformaciones. 

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    SAPROLITO 

    ESTADO NATURAL  COLUMNA RESONANTE TRIAXIAL CICLICO

     

    Figura 40. Degradación microestructural del saprolito  (Microscopio óptico  _Aumento de 20X) 

    La investigación demostró que el material más afectado en el ensayo fue el cuarzo. Este mineral presenta unas  ligeras  fisuras  principalmente  en  el  suelo  residual  en  su  estado  natural,  como  se  observa  en  la Fotografía 21 . En la Fotografía 22 se muestra el grado de fracturación del cuarzo una vez fue sometido a ensayo de carga cíclicas, hecho que influye  en la pérdida de rigidez de  los suelos, este hecho se observó con mayor claridad en el microscopio electrónico. 

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    Fotografía 21. Fracturación de los minerales de Cuarzo_ Saprolito y Suelo residual (Estado natural) (Microscopio óptico  _Aumento de 10X) 

    Fotografía 22. Fracturación de los minerales de Cuarzo_ Saprolito y Suelo residual (Post‐ensayos triaxial) (Microscopio óptico  _Aumento de 10X) 

    De acuerdo con Okur y otros investigadores antecesores a éste, quedó demostrado que la deformación de cedencia tiene una relación directa con el índice de plasticidad, debido a que los suelos más plásticos, aunque presentan menor rigidez, tienen la capacidad de amortiguar más. En el suelo más rígido, en este caso específico el saprolito, la deformación de cedencia puede alcanzarse a más temprana deformación, así  como  los umbrales plásticos; sin embargo,  los análisis microestructurales evidenciaron que para  los suelos  estudiados,  los  umbrales  de  deformación  propuestos  por  Okur  no  son  representativos  del comportamiento de estos suelos, en cambio las deformaciones de cedencia si están más cerca a la zona donde

     se

     observa

     una

     pérdida

     súbitamente

     la

     de

     rigidez.

     

    El  grado  de  meteorización,  como  lo  concluyó  en  su  investigación  Sanín  en  el  1999,  es  un  factor importante en el comportamiento dinámico de los suelos, porque dependiendo del porcentaje de matriz que se existe en la masa de suelo y la alteración de los minerales, desarrolla diferentes formas de falla. 

    Deja entrever esta investigación que el rango elástico de estos suelos, donde se cree que no existe rotura de los enlace moleculares en las partículas, está por debajo de deformaciones del orden de 5.50 x 10‐2% 

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    en  ambos  suelos.  Se  concluye  lo  anterior  porque  a  partir  de  esa  deformación  el  suelo  ya  sufre destrucción de la estructura. 

    Al  comparar  estos  resultados  con  la  investigación  realizada  por  Díaz  en  el  2005,  se  concluye  que  los suelos  de  la  ciudad  de  México  son  menos  degradables  que  los  suelos  residuales  estudiados  en  esta investigación. Lo anterior indica que  los suelos derivados de la roca metamórfica de Esquistos Cuarzo  –micáceos,

     objeto

     de

     este

     estudio,

     tienen

     comportamiento

     elástico

     para

     deformaciones

     muy

     pequeñas

     y 

    que rápidamente éstos entran al rango plástico. Las implicaciones que estos resultados tienen es que, en el  rango  elástico  el  suelo  presenta  altas  rigideces  y  bajos  amortiguamientos  y  se  refleja  en  altas amplificaciones sísmicas. 

    Por  último  de  acuerdo  con  las  hipótesis  planteadas,  se  tiene  que  la  deformación  de  cedencia  si corresponde  al  umbral  donde  el  suelo  rompe  su  estructura  mineralógica,  aunque  antes  de  ésta  en  la microestructura  ya  se  han  empezado  a  generar  deformaciones  y  potenciales  superficie  de  fallas.  Las otras  dos  hipótesis  se  complementan  por  que  la  deformación  de  cedencia  depende  del  índice  de plasticidad  (grado  de  meteorización)  y  del  tipo  de  suelo  (debido  a  la  naturaleza  de  la  matriz  y  o cementantes que se genere). Esto se demostró con la comparación que se hizo con los suelos estudiados 

    por Betancur

     (2006),

     donde

     se

     demostró

     que

     suelos

     residuales

     de

     rocas

     ígneas

     son

     más

     degradables

     que

     

    los derivados de la roca metamórfica. 

    La presencia de minerales como las caolinitas y los óxidos de hierro que se generan en el suelo residual, forman una estructura de poros muy grandes, los hace más compresibles y más deformables, lo que se traducen en un horizonte más plástico y con un  intervalo donde presenta comportamiento elástico de mayor amplitud que en el saprolito. 

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    78

    12  CONCLUSIONES 

    1.  Los suelos estudiados en esta tesis se derivan de  la meteorización de las rocas esquistosas del norte de  Sabaneta,  estas  rocas  están  compuesta  principalmente  por  cuarzo  y  moscovita,  la  acción  de  la meteorización en  los perfiles estudiados, se  refleja en  la composición mineralógica. En el Saprolito persisten grandes fragmentos de cuarzo y se alcanza a observar en algunos sitios la estratificación de la moscovita, pero producto de la alteración de esta última se empiezan a desarrollar los filosilicatos y feldespatos. En el suelo residual se observan fragmentos de cuarzos de tamaño muy inferiores a los que  se  observaron  en  el  Saprolito.  En  este  caso  la  matriz  es  la  fase  predominante  de  la  masa  de suelo. 

    2.  A nivel micro‐estructural la roca es metamórfica con  orientación  clara,  oxidada, con cuarzo  y mica sericita;  con  venillas  y  áreas  oxidadas.  Tamaño  de  grano  menor  de  1  mm.  De  Textura lepidoblástica  predominante.  El saprolito tiene textura clástica, de grano de formas sub‐angulares a sub‐redondeados  de  tamaño  promedio  entre  0,2  mm  y  0,4  mm.  También  se  observa  una  ligera orientación  de  granos  pero  no  es  estratificación.  El  suelo  residual  tiene  un  aspecto  masivo,  color rojizo,  aunque  con  luz  reflejada  es  de  color  amarillo,  lo  que  implica  que  su  composición 

    predominante es

     limonítica.

     

    3.  El análisis en el microscopio electrónico y de barrido, demostraron  que es evidente que existe una diferencia  a  nivel  micro‐estructural  entre  el  suelo  residual  y  el  saprolito,  que  permite  ser correlacionada  con  el  comportamiento  del  suelo.  Como  punto  de  partida  se  realizaron  pruebas índices. Las muestras de saprolito presentaron  índice de plasticidad en el rango entre 2% y 5%,  las muestras extraídas del suelo residual el  intervalo estuvo entre 16.5 y 39%.  La  importancia de este índice es que se ha asociado con el comportamiento dinámico de  los suelos  y  que es un reflejo de la mineralogía presente en él. Los minerales como las caolinitas y los óxidos de hierro que se generan en el suelo residual, forman una estructura de poros muy grandes, los hace más compresibles y más deformables, lo que se traduce en un horizonte más plástico. 

    4.  Se  observa  que  el  saprolito  además  de  ser  una  etapa  de  transición  en  cuanto  a  la  estructura  del suelo,  es  también  un  estado  intermedio  entre  la  mineralogía  presente  entre  la  roca  y  el  suelo residual, donde todavía permanecen los minerales primarios  de la roca, pero también se empiezan a generar  minerales  secundarios,  derivados  de  la  alteración  de  los  minerales  primarios  más susceptibles.  En el suelo residual desaparece en gran porcentaje  la moscovita y  la biotita, mientras la presencia de cuarzo y de la caolinita es más predominante. 

    5.  Al ajustar los datos obtenidos de los ensayos cíclicos con la propuesta por Otálvaro (2005) dentro del marco  de  la  Microzonificación  Sísmica  del  Valle  de  Aburrá,  que  conserva  la  forma  de  la  curva  de succión,  se  observa  que  el  saprolito  presenta  mayor  rigidez  que  el  suelo  residual  y  menor amortiguamiento, así  mismo se obtuvo una correlación superior al 90%  lo que  índica que esa curva hace

     una

     representación

     adecuada

     del

     comportamiento

     dinámico

     de

     los

     suelos

     residuales.

     

    6.  Haciendo  la  comparación  de  los  umbrales  obtenidos  con  las  ecuaciones  propuestos  por  Okur,  se concluye  que  éstas  ecuaciones  no  son  representativas  para  los  suelos  residuales  de  la  roca metamórfica estudiada en esta tesis, así  como tampoco para los suelos de origen ígneos estudiados por Betancur en el 2006. 

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    79

    7.  En  los  suelos  de  rocas metamórficos  los umbrales  propuestos  por  Okur  presentaron  un  valor más acertado para suelos poco meteorizados (bajos índices de plasticidad),  mientras que para los suelos de rocas ígneas el comportamiento fue análogo, donde se observó que los suelos con mayor  índice de plasticidad (en el orden de 100% o más meteorizado) presentan umbrales de deformaciones muy cercanos a los propuestos por este autor. 

    8.  Las 

    deformaciones 

    de 

    cedencia 

    que 

    se 

    definieron 

    como 

    zona 

    donde 

    el 

    suelo 

    sufre 

    una 

    pérdida 

    abrupta de la rigidez hacen una mejor representación del comportamiento del suelo. 

    9.  Si  bien  es  cierto  que  los  suelos derivados,  del  esquisto  estudiado  en  esta  investigación, presentan fragmentación antes de ser ensayadas, se  tiene que ese comportamiento es muy sectorizado y no generalizado en el suelo, como se observó una vez realizados los diferentes ensayos. En síntesis  los análisis microscópicos de diferentes muestras de los horizontes estudiados, en estado natural y una vez fueron sometidas a los ensayos dinámicos mostraron el siguientes comportamiento. 

    •  Cuando  el  suelo  se  somete  al  ensayo  de  columna  resonante  la  matriz  evidencia  grietas, principalmente en el suelo más plástico (suelo residual), y los fragmentos de cuarzo que existen 

    se fracturan.

     Cuando

     el

     suelo

     es

     sometido

     al

     ensayo

     de

     columna

     resonante

     el

     suelo

     sufre

     fisuras

     

    que a un nivel de mayor deformación (triaxial cíclico) se convierten en planos de debilidad que es finalmente por donde el suelo empieza a degradarse. 

    •  El  grado  de  alteración  microestructural  que  presenta  el  suelo  es  el  factor  más  decisivo  para determinar  el  comportamiento  del  suelo  cuando  es  sometido  a  esfuerzos  cíclicos.  Estos  se concluye  porque  los  suelos  aquí   estudiados presentaron  planos de debilidad  en  los minerales más rígidos, es decir la mineralogía determino las superficies de falla. 

    •  En  esta  tesis  se  comprueba  que  existe  una  destrucción  de  la  estructura  del  suelo  cuando  es sometido  a  esfuerzos  cíclicos,  aunque  no  queda  claro  en  que  deformación  exactamente  se 

    empieza a presentar

     esta

     destrucción,

     pero

     se

     resalta

     que

     para

     el

     ensayo

     de

     columna

     resonante

     el suelo ya sufre daños irreversibles en la micro‐estructura. 

    •  La  información obtenida a nivel microestructural del comportamiento del suelo,  indican que las imágenes obtenidas del ensayo de microscopio óptico fueron  más contundentes para describir el comportamiento del suelo y hacer las diferencia en la estructura en estado natural y posterior los ensayos. 

    10. Analizando los resultados obtenidos en esta investigación, se observa en la curvas de degradación de los  suelos  estudiados,  que  para  un  mismo  nivel  de  deformación  el  suelo  residual  presenta  una mayor  rigidez  normalizada  que  el  saprolito.  Este  comportamiento  es  similar  al  registrado  por Dobry  y  Vucetic  en  1991,  los  cuales  demostraron  que  la  rigidez  normalizada  se  degrada  menos (G/Gmax ) e incrementa con IP, es decir que la influencia del número de  ciclos en el módulo de rigidez es menor en suelos de mayor plasticidad. Esta pérdida de rigidez que sufre el saprolito, es evidente en las observaciones que se hicieron a nivel microestructural una vez realizados los ensayos cíclicos, donde se observó que  la  fracción  rígida  (fragmentos de cuarzos) del suelo sufrió mayor afectación que la matriz. 

    11. En  concordancia  a  lo  expuesto  por  Díaz  en  el  2005,  unos  de  los  parámetros  importantes  en  el comportamiento cíclico de  los suelos arcillosos es el  índice de  plasticidad,  IP. Los suelos con un  IP 

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    grande  tienen  una  estructura  abierta,  por  tanto,  para  una  deformación  específica  estos  suelos experimentan  menor  degradación  durante  la  carga  cíclica.  En  general  los  suelos  residuales presentan una menor tendencia a la degradación en la medida en que se incrementa el IP, razón por la cual  los suelos residuales de  la roca metamórfica estudiada en esta  investigación presentan una menor degradación de la rigidez que los suelos de origen ígneo estudiados por Betancur (2006). 

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     en

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    ANEXO 1. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS TRIAXIAL CÍCLICO 

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    ANEXO 2. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE COLUMNA RESONANTE 

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    ANEXO 3. REGISTROS FOTOGRÁFICOS (MICROSCOPIO ÓPTICO Y MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO) 

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    ANEXO 4. ESPECTROS DE LOS ENSAYOS DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X 

    (DRX)