comportamiento volumétrico de un suelo no saturado
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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
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Figura 3-10: Comportamiento volumétrico e intercambio de agua en el tiempo para
succión matricial de 400 kPa .......................................................................................... 67
Figura 3-11: Curva de compresibilidad suelo de estudio succión matricial de 400 kPa
68
Figura 3-12: Gradiente de succión en la muestra ...................................................... 69
Figura 3-13: Comportamiento volumétrico e intercambio de agua en el tiempo para
succión matricial de 700 kPa .......................................................................................... 70
Figura 3-14: Rotura de la manguera de salida de PEG durante el ensayo ................. 70
Figura 3-15: Curva de compresibilidad suelo de estudio succión matricial de 700 kPa
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 3-19: Curva de consolidación incremento de esfuerzo para muestra C-2 ....... 77
Figura 3-20: Curva de consolidación incremento de esfuerzo para muestra C-3 ....... 78
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
8 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
10 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
12 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
14 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
16 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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)
18 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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).
20 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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)
22 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
24 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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)
Fuente: Modificado de (Alonso et al., 1990)
26 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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)
Fuente: Modificado de (Alonso et al., 1990)
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.
28 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
30 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
32 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Marco Experimental 33
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
34 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Marco Experimental 35
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.
36 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Marco Experimental 37
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
38 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Marco Experimental 39
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
40 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Marco Experimental 41
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).
42 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Marco Experimental 43
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
44 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Marco Experimental 45
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)
46 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Marco Experimental 47
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
48 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Marco Experimental 49
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
50 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Marco Experimental 51
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
52 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
54 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
56 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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]
Análisis y Discusión de Resultados 57
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%.
58 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Análisis y Discusión de Resultados 59
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
60 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Análisis y Discusión de Resultados 61
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.
62 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Análisis y Discusión de Resultados 63
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
64 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Análisis y Discusión de Resultados 65
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
66 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Figura 3-9: Curva de compresibilidad suelo de estudio succión matricial de 100 kPa
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.
Análisis y Discusión de Resultados 67
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.
Figura 3-10: Comportamiento volumétrico e intercambio de agua en el tiempo para succión matricial de 400 kPa
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
68 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Figura 3-11: Curva de compresibilidad suelo de estudio succión matricial de 400 kPa
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
Análisis y Discusión de Resultados 69
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.
70 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
Figura 3-13: Comportamiento volumétrico e intercambio de agua en el tiempo para succión matricial de 700 kPa
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
Análisis y Discusión de Resultados 71
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
Figura 3-15: Curva de compresibilidad suelo de estudio succión matricial de 700 kPa
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
72 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Análisis y Discusión de Resultados 73
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.
74 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Análisis y Discusión de Resultados 75
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.
76 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Análisis y Discusión de Resultados 77
Figura 3-18: Curva de consolidación incremento de esfuerzo para muestra C-1
Figura 3-19: Curva de consolidación incremento de esfuerzo para muestra C-2
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
78 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
Figura 3-20: Curva de consolidación incremento de esfuerzo para muestra C-3
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
Análisis y Discusión de Resultados 79
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
82 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
84 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
86 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de Cenizas
Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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)
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 95
CURVA GRANULOMÉTRICA
° η
96 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
ψ
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 97
CONDICIONES DE ENSAYO
°
98 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 99
°
100 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 101
σv σv
102 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
°
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 103
104 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 105
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
°
106 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 107
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
108 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 109
φ' ° 32
C' kPa 11
TRAYECTORIAS DE ESFUERZO - ENVOLVENTE DE RESISTENCIA
PARÁMETROS DE RESISTENCIA
Anexo A. Resumen de Resultados de Ensayos de Laboratorio 111
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
112 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
114 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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.
Anexo B. Protocolo de Ensayo: Compresibilidad con Succión Constante
empleando la Técnica Osmótica
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
116 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Anexo B. Protocolo de Ensayo: Compresibilidad con Succión Constante
empleando la Técnica Osmótica
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
118 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Anexo B. Protocolo de Ensayo: Compresibilidad con Succión Constante
empleando la Técnica Osmótica
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)
120 Comportamiento Volumétrico de un Suelo no Saturado Derivado de
Cenizas Volcánicas del Departamento del Cauca, Colombia
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
Anexo B. Protocolo de Ensayo: Compresibilidad con Succión Constante
empleando la Técnica Osmótica
121
y se estimaron los parámetros de rigidez asociados a cada una de las succiones
ensayadas.