Estudio del comportamiento esfuerzo-deformación de suelos arcillosos en zonas tropicales en relación con su génesis en tres zonas piloto en Colombia

Abstract

En esta investigación que se presenta como tesis doctoral, se han estudiado suelos finos predominantemente arcillosos en tres zonas piloto en Colombia respecto de su comportamiento esfuerzo – deformación en zonas seleccionadas a partir de criterios asociados a la génesis de los materiales y condiciones geoclimáticas, para así establecer dos aspectos básicos en los análisis planteados: 1.) materiales de origen geológico diferenciado y 2.) materiales sometidos a cambios medio ambientales característicos diferenciales en cada zona. Lo anterior, con el fin de establecer si existen suficientes soportes conceptuales que permitan definir criterios de aplicabilidad de ensayos y modelos geotécnicos específicos que puedan ser usados en los suelos con base en su génesis y evolución. El estudio parte de una adecuada selección e identificación de tres zonas piloto de estudio desde la megaescala hasta escala local a partir de sus características geológicas, geomorfológicas y geoclimáticas predominantes, con base en la construcción de un modelo geológico- geomorfológico fundamentado en criterios geomorfoestructurales y morfogenéticos, aplicable a los fines de esta investigación. Esto dando como resultado, la selección de los siguientes materiales identificados en tres zonas: materiales de origen lacustre (un sector de Sabana de Bogotá, zona piloto 1), volcánico (un sector del departamento de Quindio- Zona piloto 2) y marino costero (un sector del municipio de Barranquilla, zona piloto 3) Se efectuó una caracterización geomecánica de los suelos identificados en las zonas piloto, seleccionados a partir de criterios de comparabilidad, con el fin de disminuir las incertidumbres en los resultados y poder contrastarlos, a la luz de la información geotécnica obtenida y de la aplicación de modelos para análisis prospectivos del comportamiento de los suelos. En esta caracterización se incluyeron análisis desde la macroestructura hasta la microestructura, llevando a cabo ensayos de laboratorio mecánicos y químicos, además de análisis en estado crítico sobre muestras seleccionadas, y análisis de información producto de ensayos existentes obtenidos a partir de información secundaria. Se logró obtener una propuesta de modelo geológico – geomorfológico que asocia la génesis de los suelos con la existencia de suelos finos predominantemente arcillosos y relaciona diferentes escalas espacio – temporales, mediante una identificación coherente de áreas de estudio geotécnico local y puntual a nivel de comportamiento geomecánico. Se aplicaron diferentes herramientas y técnicas de laboratorio que no solo incluyen el conocimiento desde la ingeniería geotécnica sino la geología, la geomorfología, análisis químicos, análisis geoestadísticos y análisis con uso de sistemas de información geográfico, permitiendo generar resultados correlacionables y de mayor confiabilidad a nivel espacio – temporal de polígonos de estudio. Un resultado de especial importancia se asocia a los suelos de origen volcánico, dado que el uso de técnicas de laboratorio convencionales para identificación de propiedades índice no permite establecer una identificación real de suelos arcillosos, y es necesario el uso de análisis químicos adicionales, con el fin de tener una identificación veraz del tipo de suelos finos presentes. Para el caso de los suelos lacustres y volcánicos se pudo identificar como minerales arcillosos predominantes la caolinita y la moscovita. Sin embargo, la presencia de minerales amorfos en los suelos volcánicos genera una diferencia importante en su comportamiento geomecánico. De especial importancia es el hecho de que los suelos volcánicos y marinos estudiados, presentaron una tendencia a falla frágil en condición pico y posteriormente una falla dúctil en condición residual, mientras que, en el caso de los suelos lacustres, se obtuvo una tendencia a falla dúctil tanto en condición pico como residual. En general las correlaciones de los índices de consistencia desarrolladas por diferentes autores con las propiedades esfuerzo-deformación de los suelos, generan resultados consistentes para los suelos lacustres y marinos en la mayor parte de los casos, especialmente si se tiene la presencia de montmorillonita como es el caso de la zona piloto 3. Lo anterior no ocurre para los suelos volcánicos en donde se presenta una muy alta dispersión de los resultados que no facilita plantear una tendencia de comportamiento. El uso de diferentes modelos constitutivos permitió concluir que en general los modelos Mohr Coulomb, Cam Clay y Duncan Chang ofrecen una modelización razonable de los principales elementos del comportamiento tensión desviadora-deformación observado en los ensayos triaxiales CU realizados. Los modelos Mohr Coulomb y Cam Clay aplican especialmente para suelos NC, obteniendo buenos resultados para los suelos lacustres que tienen un grado ligero de sobreconsolidación y un comportamiento que se ajusta más al modelo elasto-plástico. Para los suelos volcánicos el ajuste más adecuado se logró con el modelo hiperbólico Duncan Chang. En general los modelos presentan un buen ajuste en la zona elástica. El uso del método francés como alternativa cuando la mayor parte de los ensayos que se tienen son de caracterización básica, permite identificar posibles comportamientos esfuerzo – deformación que se ajustan con las tendencias de materiales finos arcillosos para suelos lacustres. No ocurre igual para suelos volcánicos y marinos, los cuales requieren estudios complementarios para establecer tendencias de comportamiento mecánico. El desarrollo del presente trabajo representa un avance en la aplicación de estudios de comportamiento geomecánico de suelos para la práctica convencional de la ingeniería, donde se relacionan en forma directa con su génesis. Sin embargo, no solo se debe tener cuenta los resultados de análisis convencionales. Es necesario un trabajo interdisciplinario donde se incluyan estudios de la microfábrica, especialmente para suelos de origen volcánico que han sido afectados a lo largo de su historia y evolución por procesos exógenos y endógenos intensos que han modificado su microestructura y por lo tanto su comportamiento.

In this research, presented as a doctoral thesis, fine soils predominantly clayey soils have been studied in three pilot areas in Colombia with respect to their stress - deformation behaviour, in selected areas, based on criteria associated with the genesis of the materials and geoclimatic conditions, in order to establish two basic aspects in the proposed analyses: 1.) materials of differentiated geological origin and 2.) materials subjected to characteristic differential environmental changes in each area. The purpose of this was to establish if there are sufficient conceptual supports to define criteria for the applicability of specific geotechnical tests and models that can be used on soils based on their genesis and evolution. The study starts from an appropriate selection and identification of three pilot study areas from the mega-scale to the local scale, by taking into account their predominant geological, geomorphological and geoclimatic characteristics, based on the construction of a geological-geomorphological model according to the geomorpho-structural and morphogenetic criteria, applicable to the purposes of this research. This allowed the selection of the following materials identified in three zones: materials of lacustrine origin (a sector of Sabana de Bogotá -Pilot zone 1), volcanic (a sector of the department of Quindio -Pilot zone 2-) and coastal marine (a sector of the municipality of Barranquilla -Pilot zone 3-). A geomechanical characterisation of the soils identified in the pilot areas was carried out, selected by comparability criteria in order to reduce uncertainties in the results and be able to contrast them with the geotechnical information obtained and the application of models for prospective analysis of soil behaviour. This characterisation included analyses from the macrostructure to the microstructure, mechanical and chemical laboratory tests, critical state analyses on selected samples, and analysis of information from existing tests obtained from secondary sources. The geological-geomorphological model proposed associates the genesis of the soils with the existence of fine, predominantly clayey soils and relates different spatial-temporal scales by coherently identifying local and specific geotechnical study areas at the level of geomechanical behaviour. Different laboratory tools and techniques were applied that not only include knowledge from geotechnical engineering but also geology, geomorphology, chemical analysis, geostatistical analysis and analysis with the use of geographic information systems, allowing the generation of correlated and more reliable results at the spatial-temporal level of study polygons. A particularly important result is associated with soils of volcanic origin, given that the use of conventional laboratory techniques for the identification of index properties does not allow a real identification of clayey soils, making it necessary to use additional chemical analyses in order to have a true identification of the type of fine soils present. In the case of lacustrine and volcanic soils, kaolinite and muscovite were identified as the predominant clay minerals. However, the presence of amorphous minerals in the volcanic soils generates an important difference in their geomechanical behaviour. Of special importance is the fact that the volcanic and marine soils studied showed a tendency to brittle failure in peak condition and later ductile failure in residual condition, while in the case of the lacustrine soils, a tendency to ductile failure was obtained in both peak and residual condition. In general, the correlations of the consistency indices developed by different authors with the stress-strain properties of the soils provide consistent results for lacustrine and marine soils in most cases, especially if montmorillonite is present, as is the case in pilot zone 3. This is not the case for volcanic soils, where there is a very high dispersion of results that does not make it easy to establish a behavioural trend. The use of different constitutive models led to the conclusion that in general, the Mohr Coulomb, Cam Clay and Duncan Chang models offer a reasonable modelling of the main elements of the deflective stress-strain behaviour observed in the triaxial CU tests performed. The Mohr Coulomb and Cam Clay models apply especially for NC soils, obtaining good results for lacustrine soils, which have a slight degree of overconsolidation and a behaviour more in line with the elasto-plastic model. For volcanic soils the best fit was achieved with the Duncan Chang hyperbolic model. In general the models show a good fit in the elastic zone. The use of the French method as an alternative when most of the tests available are of basic characterisation, allows for identifying possible stress-strain behaviours that fit with the tendencies of fine clayey materials for lacustrine soils. This is not the case for volcanic and marine soils, which require complementary studies to establish trends in mechanical behaviour. The development of the present work represents an advance in the application of geomechanical behaviour studies of soils for conventional engineering practice, where they are directly related to their genesis. However, considering the results of conventional analyses alone are not enough. It is necessary to include an interdisciplinary work with study of the micro-factory - especially for soils of volcanic origin, which have been affected throughout their history and evolution by intense exogenous and endogenous processes that have modified their microstructure and therefore their behaviour.