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Estudio experimental del comportamiento hidromec谩nico de suelos colapsables
Barrera Bucio Mauricio,
Publicaci贸n t茅cnica No.226


Resumen


El objetivo principal de esta investigaci贸n se centra en el estudio del comportamiento hidromec谩nico asociado a los cambios de succi贸n y esfuerzo neto de un suelo colapsable. Se defini贸 cuidadosamente un programa de ensayos de laboratorio con una variedad de trayectorias de esfuerzo y de succi贸n que reprodujeran respuestas de inter茅s para el avance del conocimiento de los suelos no saturados. Los resultados de los ensayos se interpretaron de acuerdo con un marco conceptual de endurecimiento elastopl谩stico (Alonso, et al, 1990). Para la investigaci贸n se escogi贸 una arcilla de baja plasticidad de la ciudad de Barcelona, con una estructura preparada artificialmente y compactada est谩ticamente en condiciones is贸tropas (esfurzo controlado). Este m茅todo de fabricaci贸n de muestras tiene por objeto controlar la presi贸n de preconsolidaci贸n en la estructura del suelo, y evitar una fabricaci贸n anis贸tropa. La succi贸n total de las muestras despu茅s de la compactaci贸n se midi贸 empleando la t茅cnica psicrom茅trica. Con este procedimiento de fabricaci贸n se conoce la historia de esfuerzo y de succi贸n de las muestras, y se establecen unas condiciones iniciales precisas. La estructura de las muestras preparadas artificialmente se caracteriz贸 mediante porosimetr铆a de intrusi贸n de mercurio, microscopia electr贸nica, y una serie de ensayos mec谩nicos previos. Se dise帽贸 y construy贸 una nueva c茅lula edom茅trica con control de la succi贸n matricial mediante la aplicaci贸n de la t茅cnica de traslaci贸n de ejes. Se puso a punto una c茅lula triaxial existente con control de succi贸n para la aplicaci贸n de un esfuerzo desviador, y la realizaci贸n de ensayos de compresi贸n triaxial a deformaci贸n controlada. La c茅lula triaxial, totalmente instrumentada, permite registrar la evoluci贸n temporal del esfuerzo desviador (a trav茅s una c茅lula de carga interna compensada a presi贸n); el contenido de agua de la muestra (mediante dos buretas conectadas a ambos discos cer谩micos de AVEA); las deformaciones axiales (con dos LVDT locales); las deformaciones radiales y las is贸cronas de los perfiles laterales (a trav茅s de sensores l谩ser electro-贸pticos) (Romero, 1999; Barrera, et al, 2002). En la t茅cnica de traslaci贸n de ejes se mantuvo constante la presi贸n de aire (ua) y se vari贸 la presi贸n de agua (uw) hasta alcanzar una diferencia igual a la succi贸n matricial deseada (ua-uw), aplicando un rango de succiones entre 10 y 800 kPa. Los equipos se calibraron cuidadosamente desde un punto de vista mec谩nico e hidr谩ulico. Los ensayos de laboratorio se llevaron a cabo bajo trayectorias de esfuerzo que incluyeron variaciones de la succi贸n matricial, del esfuerzo medio/vertical neto y del esfuerzo desviador. Los principales aspectos estudiados fueron la dependencia del estado del suelo con la trayectoria de esfuerzos seguida; los colapsos y expansiones del suelo al variar la succi贸n, y los estados de sobreconsolidaci贸n generados por un proceso mec谩nico (incrementos del esfuerzo neto) o hidr谩ulico (cambios de succi贸n). El comportamiento de cambio de volumen (colapso, expansi贸n y retracci贸n) de las muestras normalmente consolidadas y sobreconsolidadas, se estudiaron mediante ensayos edom茅tricos e is贸tropos (mini-c茅lula is贸tropa y c茅lula triaxial) con control de la succi贸n. Se analiz贸 la influencia del estado inicial, as铆 como los efectos del esfuerzo neto aplicado y los cambios de succi贸n en el comportamiento volum茅trico, la permeabilidad y las caracter铆sticas de retenci贸n del agua. Es importante resaltar que son pocos los estudios sobre colapsabilidad realizados bajo condiciones is贸tropas y triaxiales (Kato & Kawai, 2000; Barrera, et al, 2000; Romero, et a,. 2002). En los ensayos de estados de esfuerzos en condiciones edom茅tricas e is贸tropas se observaron pautas de com portamiento reversible e irreversible en relaci贸n con los cambios de volumen (colapso, expansi贸n y retracci贸n). Se constat贸 la existencia de deformaciones pl谩sticas importantes y de cambios irreversibles en el contenido de agua, asociados a las trayectorias de hidrataci贸n y secado, as铆 como en las trayectorias de carga y descarga. Asimismo, se estudi贸 el comportamiento hidro-mec谩nico durante la aplicaci贸n de un esfuerzo desviador a succi贸n constante, analizando la respuesta esfuerzo鈥揹eformaci贸n, el acoplamiento hidr谩ulico y determinando los par谩metros de resistencia al corte. Existen pocos estudios experimentales que hayan analizado dicho acoplamiento hidro-mec谩nico durante la etapa de corte (Rampino, et al, 1999, Rampino, et al, 2000, Wheeler & Sivakumar, 2000). Por otro lado, pese al indudable desarrollo de nuevos equipos triaxiales con succi贸n controlada, se han reportado pocos resultados experimentales con relaci贸n a la evoluci贸n de la deformaci贸n axial y radial en forma local y global durante la etapa de corte en suelos no saturados. El estudio experimental consisti贸 en un programa de ensayos de compresi贸n triaxial a velocidad de deformaci贸n constante, bajo confinamiento y succi贸n constantes. Se analizaron muestras normalmente consolidadas y sobreconsolidadas. El estado sobreconsolidado se indujo por tres diferentes mecanismos previos a la etapa de corte: por un proceso mec谩nico de carga y descarga is贸tropa a succi贸n constante; por un proceso hidr谩ulico de humedecimiento y secado bajo esfuerzo medio neto constante con una deformaci贸n de colapso dominante; y, finalmente, por otro proceso hidr谩ulico de secado y humedecimiento bajo condiciones libres de retracci贸n y expansi贸n. La respuesta al corte de las muestras normalmente consolidadas se ha estudiado para el nivel m谩ximo de esfuerzo medio neto alcanzado por la muestra, y en trayectorias previas de colapso. Durante la etapa de corte las muestras presentaron inicialmente un comportamiento volum茅trico contractante, y posteriormente exhibieron dilatancia sin que se detectara evidencia de reblandecimiento del suelo. Asimismo, en todas las muestras, se observ贸 inicialmente expulsi贸n de agua hasta alcanzar un valor estable sin que se detectaran signos de entrada de agua durante la etapa final de dilatancia. A partir de los resultados de los ensayos se ha establecido la existencia de una l铆nea de estado cr铆tico en t茅rminos de esfuerzo medio neto, de esfuerzo desviador y de relaci贸n de vac铆os, cuya posici贸n depende del valor de la succi贸n. Por otro lado, se detect贸 el incremento de tama帽o de la superficie de fluencia debido a las deformaciones irrecuperables inducidas por un proceso hidr谩ulico (humedecimiento y secado, secado y humedecimiento) o mec谩nico (carga y descarga is贸tropa). Tambi茅n se ha observado un aumento de la rigidez y de la resistencia al incrementar la succi贸n. Los resultados experimentales se analizaron utilizando el modelo de endurecimiento elastopl谩stico propuesto por Alonso et al. (1990), que se basa en conceptos de estado cr铆tico. Se han determinado los par谩metros del suelo asociados con dicho modelo y se han simulado algunas trayectorias de esfuerzo, que han servido para validar su capacidad para reproducir la respuesta de un suelo no saturado. La comparaci贸n de los resultados experimentales y la simulaci贸n num茅rica en las trayectorias de humedecimiento鈥搒ecado y carga鈥揹escarga mostraron una buena correspondencia cualitativa y cuantitativa. En lo que respecta a las etapas de corte, el modelo ha reproducido adecuadamente la respuesta esfuerzo鈥揹eformaci贸n y ha capturado los efectos de la sobreconsolidaci贸n mec谩nica e hidr谩ulica. Sin embargo, el comportamiento dilatante observado en las etapas finales de corte no ha podido simularse satisfactoriamente. Algunas aportaciones del presente trabajo se han presentado en diversas conferencias y simposios internacionales durante los 煤ltimos meses. A continuaci贸n se presentan las referencias de estos trabajos. Barrera, M., Romero, E., Lloret, A. & Vaunat, J. (2002). Hydro鈥搈echanical Behaviour of a Clayey Silt During Controlled-suction Shearing. International Conference on Unsaturated Soils, Recife, Brazil, A A Balkema, Rotterdam Vol 2: 485-490. Barrera, M., Romero, E., S谩nchez, M. & Lloret, A. (2002). Laboratory Test to Validate and Determine Parameters of and Elastoplastic Model for Unsaturated Soils. International Symposium on Identification and Determination of Solis and Rock Parameters for Getechnical Design. Paris, France, September 2002. Barrera, M., Romero, E., S谩nchez, M. & Lloret, A. (2002). Comportamiento Mec谩nico de un Suelo no Saturado en Condiciones Triaxiles. Estudio experimental y modelaci贸n. XXI Reuni贸n Nacional de Mec谩nica de Suelos, Quer茅taro, Qro,. Vol 2: 201-208. Barrera, M., Romero, E., S谩nchez, M. & Lloret, A. (2002). Comportamiento Hidro-mec谩nico de un Suelo Colapsable en Condiciones Edom茅tricas. XXI Reuni贸n Nacional de Mec谩nica de Suelos, Quer茅taro, Qro, Vol 2: 193 - 201. Barrera, M., Garnica, P. & Mart铆nez, F. (2003). Comportamiento del Fen贸meno del Colapso en Suelos Compactados y su Influencia en las V铆as Terrestres. Tercer Congreso Mexicano del Asfalto. Desempe帽o de los pavimentos asf谩ltico, M茅xico, D. F. Barrera, M., Romero, A., Gens, M. & Lloret, A. (2003). Deformation Behaviour of Anisotropic and Isotropic Compacted Soils Due to Wetting. 3rd Internacional Symposium on Deformation Characteristics of geomaterials, Lyon Sepetember, 2003.


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