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Tipo: Monografías, Ensayos
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Tema: Área: GEOTÉCNIA Integrates del grupo: ▪ Cardenas Torres, Randy Jhonni. ▪ Gonzales Amancay, Abelardo L. ▪ Gutierrez Cardona Cristian. ▪ Hidalgo Flores, Danny 1 INTRODUCCION
Hacia finales del mioceno, y comienzos del plioceno, el volcanismo de las precordilleras occidental y central se reactivó y las cenizas cubrieron gran parte de la cuenca de Bogotá, a la vez que el plegamiento formó, en esta misma cuenca y en otras de la precordillera Oriental, nuevas cubetas de sedimentación (lagos y lagunas), donde se depositaron, en discordancia sobre los sedimentos más antiguos, los materiales provenientes de la erosión de los relieves altos circundantes. Uno de estos lagos ocupaba la región que hoy se denomina sabana de Bogotá. (Alfonso Pérez Preciado, 2000). La acumulación sucesiva de capas ocasionó el crecimiento de los esfuerzos totales y efectivos horizontales y verticales en el depósito arcilloso. Las capas superficiales del depósito lacustre de Bogotá han sido sometidas a procesos de descarga antrópicos, erosiones concentradas y procesos de secado y humedecimiento estacionales que han originado cambios en los estados de esfuerzos iniciales asociados al origen sedimentario del mismo (Pineda, 2003). Existen algunos sectores particulares en los cuales alguno de los procesos mencionados ha tenido mayor relevancia que los demás, esta situación origina que exista actualmente incertidumbre en los esfuerzos de preconsolidación reales de los materiales y el coeficiente Ko, el cual gobierna aspectos de diseño de muros para sótanos, tuberías enterradas, canales de conducción de aguas, entre otras obras de ingeniería. En la figura 1, se presenta esquemáticamente la variación de los estados de esfuerzos en la arcilla de Bogotá. Actualmente, se presenta un interés particular por los valores asociados al esfuerzo de preconsolidación vertical edométrico y los valores del coeficiente Ko de suelos superficiales del occidente de la Sabana de Bogotá, debido a que estos materiales han sido sometidos a procesos de pérdida de humedad notables que han originado pérdida de la continuidad del medio mediante grietas, un estado muy particular en el cual determinar estas variables adquiere una importancia especial para el análisis de problemáticas asociadas al mantenimiento de vías, el apoyo de estructuras livianas y el almacenamiento de agua mediante reservorios y tanques. En la figura 2, se presenta esta zona de interés particular.
Fredlundet al. (2011) reiteran que la condición de esfuerzo geostático, donde no hay deformación horizontal está referido al coeficiente lateral de presión de tierras en reposo, conocido como Ko, así mismo que el coeficiente lateral de presión de tierras en reposo depende de varios factores, tales como el tipo de suelo, historia de esfuerzos, y densidad. Los suelos saturados, tienen por lo general valores de Ko, que van desde 0.4 a 1.0. Sin embargo los suelos parcialmente saturados son a menudo, sobre consolidados y pueden tener coeficientes de presión de tierras en reposo, mayor que 1.0 (Brooker e Ireland 1925). Los coeficientes de presión de tierras en reposo tienden a cero para el caso donde los suelos llegan a ser desecados y agrietados. En la Figura (2-1) se ilustra un perfil del esfuerzo normal vertical y horizontal bajo condiciones de reposo. Figura 2- 1. Perfil de esfuerzos geostáticos in situ, condiciones:(a) esfuerzo normal vertical; (b) esfuerzo normal horizontal. (Tomada de Fredlund et al 2011) La aplicación de la teoría de presión lateral de tierra para suelos parcialmente saturados (que presentan serios agrietamientos) ha sido por varios años una técnicaque ha presentado dificultad de su puesta en marcha, sin embargo Fredlundet al. (2011), dados a la investigación de dicha teoría indican que los esfuerzos totales horizontales a través de una grieta son prácticamente cero, a su vez afirman que el suelo inmediatamente adyacente a la grieta está ligado directamente por la succión del suelo. Para Fredlundet al. (2011), la ecuación de esfuerzo versus deformación, en la dirección vertical para un suelo homogéneo, isotrópico, elástico linealy parcialmente saturado puede expresarse en la ecuación (2.3) como:
La ecuación (2.6) vuelve a la forma común para un suelo saturado ( μ 1−𝜇𝜇 ) cuando la succión matricial tiende cero. Cuando la succión matricial se hace presente en el suelo (con valores iniciales de menores a 50 kPa) el esfuerzo horizontal se ve reducido, dando como consecuencia la formación de grietas de tensión en los primeros estratosdel suelo. Es preciso mencionar que la reducción del esfuerzo horizontal es también una función de la profundidad en consideración. Valores típicos de Ko para arcillas en los primeros metros de profundidadoscilan entre 0.3 y 0.7, en función de la relación de Poisson. Para propósitos ilustrativosFredlundet al. (2011) suponen las siguientes propiedades; μ=0.35, E/H=0.17, y densidad ρ=1886 kg/m3. La Figura (2-2) muestra la relación entre el coeficiente de presión de tierras en reposo y la succión matricialpara varias sobrecargas de presión. Investigaciones llevadas a cabo por Fredlundet al. (2011) arrojan que para cuando un suelo presenta condiciones de saturación del 100%con cero presiones de poros de agua ( μ 1−𝜇𝜇 ),Kotiene un valor de 0.538, sin embargo su magnitud disminuye a medida que la succión matricial aumenta. Este tipo de comportamiento se presentaa cualquiera de las cuatro profundidades en consideración,sin embargo Kosegún la Figura 2-2 se hace mayor en los primeros metros donde la succión matricial se hace menor. Un Kocon un valor igual a cero, indica una tendencia a la formación de grietas de tensión por parte del suelo. Lo anterior no tiene en consideración efectos de humedad, secado, congelamiento, ni ciclos de carga y descarga. En la Figura (2-3), se ilustra el comportamiento de esfuerzos efectivos horizontales y verticales, donde un suelo saturado está sujeto a una historia de sedimentación, junto a factores como erosión y posterior recarga, este comportamiento puede llegar a ser incluso más complejo para suelos parcialmente saturados que están
condiciones hidrostáticas es decir; para cuando la cantidad de agua presente en el suelo tanto de limo como arcilla se encuentra en unestado de reposo, esto se podría constatar alrededor de unos 7.5 m por encima del nivel freático o 2.5 m bajo la superficie del terreno. Igualmente establecen que de no ser cero quiere decir que está dependiendo constantemente de las tasas de flujo que ocurren cerca de la superficie cuando ocurre infiltración. Finalmente deducen que factores como la infiltración en el suelo ocasionan que Ko aumente a lo largo del estrato de suelo. Contrario a la evaporación, que causa que Ko decrezca, que indica la existencia de esfuerzos de tensión en el suelo; que físicamente prevén la presencia de grietas bajo condiciones de desecación en la superficie. 2.1.2 PROFUNDIDAD DE AGRIETAMIENTO: Lu y Likos (2004) investigaron la profundidad de agrietamiento para una masa de suelo, encontrando que el suelo parcialmente saturado en estudio presenta una resistencia relativamente baja a la tensión, esto se debe a la formación de grietas, que pueden desarrollarse cuando el valor del coeficiente lateral de presión de tierras en reposo (Ko) tiende a cero (señal de la llegada de la fuerza de tensión). La Figura (2-6) ilustra un modelo conceptual para grietas de tensión en una zona parcialmente saturada a una profundidad donde Ko es cero o negativo.
Lu y Likos (2004) suponen que si las grietas en efecto se desarrollan cuando Ko=0, para lo cual se puede presentar una expresión que pueda cuantificar la deformabilidad del suelo, a partir de una definición de variables, la deformabilidad (G) puede representarse como se indica en la ecuación (2.7). La ecuación (2.7), es ilustrada en la Figura (2-7) para un valor de G=0.47. Se puede observar que la profundidad de agrietamiento sobre las condiciones hidrostáticas está en función de la profundidad del estrato parcialmente saturado. Basados en este análisis la posible profundidad de agrietamiento para este tipo de suelo, está entre 0.0 y 1.6 m. Figura (2-7).
En la Figura (2-8)se muestra el comportamiento de los esfuerzos principales donde se varía el esfuerzo principal menor (σ3), llevándolo hasta los límites donde se presentaría la falla, analizando un punto de la masa de suelo a una profundidad constante. Primero nuestra partícula en consideración se expande lateralmente, es decir, se disminuye el esfuerzo horizontal efectivo hasta llegar a la falla (punto 1 en la Figura 2 - 8), en este instante se obtiene un coeficiente de presión de tierras activo (Ka) dando una condición de esfuerzos, como el que se enuncia en la ecuación (2.18) así: Para la situación contraria, al aumentar la carga horizontal se llega al valor de σ’vy si se sigue comprimiendo, también se obtiene un estado de falla (punto 2 en el círculo de Mohr de la Figura 2-8), donde el valor del esfuerzo horizontal está determinado por un coeficiente de presión de tierras pasivo (Kp), dado en la ecuación (2.18) así: Con este análisis se determina que el coeficiente de presión de tierras en reposo debe estar dentro de un rango limitado por un valor mínimo Kay un máximo igual a Kp; cabe anotar que durante este desarrollo no se tuvo en cuenta la influencia de la cohesión del material ya que se asumió constante. La ecuación que define Ko en función de otras variables es la que indica qué propiedades es necesario medir y en qué condiciones. Varios investigadores han propuesto expresiones que definen Ko en función de diferentes variables,estas expresiones se pueden poner a prueba en pruebas de laboratorio y diversas correlaciones.
Se determinó experimentalmente el coeficiente lateral de presión de tierras en reposo Ko para una arcilla en función de otras variables medidas como esfuerzos de preconsolidación efectivos a través de ensayos de consolidación unidimensional y succión matricial a partir de las curvas de retención de agua. Los esfuerzos de preconsolidación hallados dejan entrever un suelo que se comporta de manera sobreconsolidada a lo largo del perfil de estudio, esto era de esperarse, dadas las condiciones de depósito lacustre, y las cargas que ha soportado el suelo a lo largo de su historia geológica. Sin embargo luego de los 20. metros de profundidad el suelo empieza a comportarse de la forma Normalmente consolidado. Conocer magnitudes como las de succión matricial en una masa de suelo a determinada profundidad permitió definir el coeficiente lateral de presión de tierras en reposo Kode una manera más acertada a comparación de las otras expresiones aplicadas durante la investigación, ya que involucra variables físicas y geomecánicas determinantes en la masa de suelo, obteniendo así valores de Ko para el occidente de la sabana de Bogotá de 1.31 a 1.02 en los primeros metros del perfil de suelo estudiado. Lo cual hace entre ver que el esfuerzo horizontal en las primeras capas superficiales es mayor al vertical, esto se debe a que el suelo está afectado seriamente por el fenómeno de la desecación y por la succión a la que se ve sometida constantemente, bajo los cambios de temperatura y condiciones ambientales a las que se ve expuesto el suelo, entre otros factores como exploración del subsuelo para la explotación de pozos de agua. Posteriormente Kotoma un comportamiento como el descrito en la bibliografía consultada en el cual su valor se reduce significativamente a lo largo del perfil explorado; esto como consecuencia de la disminución de la succión presente en el suelo y de la profundidad de agrietamiento que experimenta el mismo, alcanzando valores al final de la exploración de 0.39 y 0.36 para el sondeo uno y dos respectivamente. Valores que hasta la fecha habían sido desconocidos. La succión matricial en función de las curvas de retención de agua, me permiten de manera adicional calcular un Koteniendo en cuenta dos periodos del año asumiendo condiciones estacionarias de invierno (inicial) y verano (final). Mostrando que para las condiciones finalesKoaumenta hasta 1.42 en los primeros metros y se mantiene sobre la unidad hasta 1.08para ambos sondeos a 20 metros de profundidad; lo cual implica que a tazas de succión mayor a 100000 kPa el esfuerzo horizontal primaria sobre el vertical, lo que ocasionaría serios daños en el pavimento de la vía existente y de sus transeúntes Se han determinado a la fecha gran cantidad de modelos y expresiones para definir Ko a lo largo de un perfil estratigráfico de suelo, durante la presente investigación se han dado a conocer varios de ellos, sin embargo con base a la información bibliográfica recopilada es posible que varios de estos modelos puedan ser más versátiles, por ejemplo el de NSR (10), donde a partir de solo dos ángulos de resistencia al corte (o fricción interna) (ϕ´) se determinaron valores de Ko para todo el perfil del suelo, a pesar del uso de otra variable en juego como lo fue la RSC. Sin embargo esta fue una aproximación que se quiso mostrar a las ya mencionadas en el marco teórico, y que lo deja en desventaja frente a la expresión que involucra succión matricial.
