Suelos Residuales y la Enseñanza de la Mecánica de Suelos
Existe un vacío serio en la enseñanza de la mecánica de suelos debido a que no incluye la cobertura de suelos residuales como parte integral de dicha enseñanza.
Una estimación aproximada sugiere que al menos la mitad de la superficie terrestre está cubierta por suelos residuales y, en el mundo actual, el crecimiento y desarrollo más rápido se está produciendo en países que contienen una proporción muy alta de estos suelos.
Los estudiantes de ingeniería civil se gradúan de universidades de todo el mundo habiendo estudiado mecánica de suelos en diversos niveles, pero sin siquiera ser conscientes de la existencia de suelos residuales, y mucho menos sin comprender sus propiedades.
El propósito de este artículo es resaltar el hecho de que mientras mucho de lo que se enseña en los cursos de mecánica de suelos es común a ambos grupos de suelos existen diferencias que es necesario conocer para realizar un buen análisis geotécnico.
Introducción
Aunque los suelos residuales se encuentran en la superficie de la tierra casi tan comúnmente como los suelos sedimentarios, su existencia y propiedades rara vez se mencionan en los cursos y libros de texto de mecánica de suelos.
El resultado es que ciertos conceptos desarrollados a partir del comportamiento del suelo sedimentario se aplican rutinariamente a los suelos residuales y habitualmente dan como resultado una comprensión errónea de su comportamiento.
Seguramente esto es una acusación a quienes enseñan mecánica de suelos en nuestras universidades.
Ya pasó el momento en que el comportamiento residual del suelo debería ser una parte integral de la mecánica de suelos convencional, especialmente de su programa de estudios en los cursos universitarios.
Este artículo es un intento de resaltar algunos aspectos significativos del comportamiento del suelo residual que deberían ser material esencial en los cursos básicos de mecánica de suelos.
Formación de los Suelos Residuales
La Figura 1 ilustra la formación de suelos residuales y sedimentarios.
Los suelos residuales se forman directamente a partir de su roca madre por meteorización física y química. Los suelos sedimentarios pasan por otros procesos, incluido el transporte por arroyos y ríos, la sedimentación en lagos o en el mar, seguidos de la consolidación.
Figura 1. Formación del suelo (según Wesley, 2012)
Su método de formación tiene algunas influencias obvias sobre las propiedades y el comportamiento de estos dos grupos de suelos, siendo las principales las siguientes:
- Los suelos sedimentarios se someten a un proceso de clasificación durante la erosión y la redeposición que les da un grado de homogeneidad que no está presente en los suelos residuales.
- Los suelos residuales no pasan por un proceso de consolidación y sus propiedades no pueden relacionarse con la historia de esfuerzos. Los términos normalmente y sobreconsolidado no tienen relevancia para los suelos residuales. Estrictamente hablando, los parámetros CC y CS no son aplicables a suelos residuales. El parámetro CC se define como la pendiente (log) de la línea de consolidación virgen. Es evidente de su proceso de formación que no existe tal cosa como una línea de consolidación virgen para un suelo residual.
- Algunos suelos residuales, especialmente aquellos derivados de material volcánico original, consisten en minerales arcillosos inusuales que no se encuentran en los suelos sedimentarios.
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Los suelos residuales generalmente tienen una permeabilidad mucho mayor que los suelos sedimentarios, lo que tiene implicaciones importantes para el comportamiento en las pruebas de edómetro y en las estimaciones de estabilidad a corto y largo plazo de taludes cortados.
Consolidación de los Suelos Residuales
La Figura 2 muestra los resultados de las pruebas de edómetro en muestras de un suelo residual derivado de la meteorización de la formación Peidmont en el sureste de EE. UU.
La Figura 2(a) muestra los resultados trazados utilizando la escala logarítmica convencional para la presión. Esta convención surge del comportamiento de las arcillas sedimentarias cuando se depositan y consolidan bajo el agua.
Figura 2. Interpretación errónea del gráfico e-log(p) (según Wesley, 2000).
Los valores de la presión de preconsolidación y la relación de sobreconsolidación se han determinado a partir de estos gráficos y se enumeran en la figura.
Como se señaló anteriormente, el historial de tensiones no tiene una relevancia significativa para los suelos residuales, y las suposiciones de que deberían mostrar presiones previas a la consolidación son erróneas.
No hay ninguna razón para usar una escala logarítmica para la presión al ilustrar el comportamiento de compresión de los suelos residuales. Por lo tanto, los gráficos se han vuelto a trazar usando una escala lineal en la Figura 2 (b).
Estos gráficos muestran una imagen muy diferente; no hay indicación alguna de presiones de “pre-consolidación”. Los que se infieren del diagrama de registro no son propiedades del suelo; son puramente el producto de la forma en que se trazan los datos.
Un segundo ejemplo de la naturaleza engañosa de las gráficas de registro se da en la Figura 3, que muestra los resultados de las pruebas del edómetro en una arcilla residual encontrada en la región de Auckland en Nueva Zelanda. El gráfico que usa una escala logarítmica sugiere la existencia de una presión de preconsolidación en alrededor de 600 kPa, mientras que el gráfico lineal no muestra rastro de esto; de hecho, el comportamiento es casi lineal.
Figura 3. Comportamiento de un suelo residual de Auckland (según Pender et al, 2000)
Si bien los suelos residuales, por definición, no pueden tener presiones de preconsolidación porque no están formados por un proceso de consolidación, aún pueden mostrar un aumento significativo en la compresibilidad en ciertos niveles de tensión. Esto surge porque algunos suelos residuales están muy estructurados y, a cierto nivel de tensión, esta estructura comienza a colapsar, lo que provoca un aumento de la compresibilidad. Esta tensión se denomina mejor presión de fluencia vertical que presión de preconsolidación.
Algunos suelos residuales pueden mostrar un comportamiento de compresión extremadamente variable, como el ilustrado en la Figura 4; que muestra pruebas de edómetro en tres muestras de arcilla derivadas de la meteorización de ceniza volcánica andesítica. Cuando se representa en una escala logarítmica, el comportamiento parece similar y la presión de fluencia vertical se puede inferir de los tres gráficos. Sin embargo, cuando se vuelve a trazar utilizando una escala lineal, la imagen es muy diferente.
Figura 4. Comportamiento de suelos de ceniza volcánica
Ahora se ve que solo la muestra A exhibe una presión de fluencia de aproximadamente 250 kPa. La muestra B muestra un comportamiento casi lineal, mientras que la muestra C muestra una compresibilidad constantemente decreciente o característica de "endurecimiento por deformación".
En la Figura 5 se muestra una representación general de la compresibilidad del suelo, especialmente en el rango de presión de interés para los ingenieros geotécnicos. Esto brinda una imagen mucho más realista que la gráfica convencional de e-log(p). El uso casi universal de la gráfica logarítmica ha creado la creencia de que la compresibilidad de todos los suelos se puede representar adecuadamente mediante dos líneas rectas en una gráfica logarítmica, lo que ciertamente no es el caso.
Figura 5. Una mejor representación de la compresibilidad del suelo, válida para todos los suelos. (según Wesley, 2010).
Es lamentable que la profesión y quienes enseñan mecánica de suelos no hayan tomado más en cuenta lo que el profesor Nilmar Janbu viene diciendo desde hace muchos años. Su mensaje se resume en la siguiente declaración (Janbu, 1998):
“---sigue siendo un misterio por qué la profesión internacional todavía usa los complicados diagramas de e-log p y el coeficiente C incompleto e inútilCque ni siquiera se determina a partir de los datos medidos, sino a partir de una línea construida fuera de las mediciones---”.
Janbu hizo los comentarios anteriores basados en la experiencia con suelos sedimentarios. El misterio sigue siendo aún mayor con los suelos residuales. No hay duda de que si los profesores de mecánica de suelos siempre trazaran los resultados de las pruebas del edómetro en suelos no perturbados usando escalas tanto lineales como logarítmicas, rápidamente se darían cuenta de lo equivocado que es el uso continuado de la escala logarítmica.
Influencia de la Permeabilidad Elevada
La permeabilidad elevada, de los suelos residuales, es causada por varios factores, incluyendo su naturaleza relativamente gruesa, la presencia de minerales arcillosos inusuales y formas particulares de microestructura. La elevada permeabilidad tiene varias implicaciones prácticas y los estudiantes deben conocerlas en los cursos básicos de mecánica de suelos. Aquí solo se describirán dos; el primero es la determinación del coeficiente de permeabilidad a partir de ensayos de edómetro, y el segundo es la estabilidad a corto y largo plazo de taludes excavados en arcilla.
Figura 6 Gráficos de tiempo de raíces de pruebas en suelos residuales.
La Figura 6 muestra gráficos típicos de tiempo de raíces de pruebas de edómetro convencionales en suelos residuales. Según la teoría de la consolidación unidimensional estos gráficos deben mostrar una sección lineal inicial, a partir de la cual se puede utilizar la conocida construcción de Taylor para determinar el coeficiente de consolidación. Los gráficos de la Figura 6 no muestran esta sección lineal, simplemente porque la presión intersticial se disipa casi tan pronto como se aplica el incremento de carga, y la forma de los gráficos es un fenómeno de fluencia que no está relacionado con la tasa de disipación de la presión intersticial.
No es difícil demostrar que el valor más alto del coeficiente de consolidación que se puede determinar de manera confiable a partir de una prueba de edómetro con un espesor de muestra de 2,0 cm es de aproximadamente 0,1 m2/día (= 0,012 cm2/segundo.). Las lecturas tomadas en el primer minuto solo estarán en línea recta si el cvel valor es inferior a 0,1 m2/día; muchos suelos residuales tienen valores más altos. Debido a que la mayoría de los ingenieros geotécnicos y los técnicos de laboratorio desconocen esto, la construcción de Taylor continúa aplicándose regularmente a gráficos como los de la Figura 6, y valores erróneamente bajos de cv son estimados.
Estabilidad de taludes en Suelos Residuales
El principal desencadenante de deslizamientos o derrumbes en taludes de suelos residuales son las lluvias intensas y prolongadas, hecho que refleja la permeabilidad relativamente alta de dichos suelos. En el caso de taludes excavados, por lo tanto, es muy poco probable que el comportamiento durante la excavación no sea drenado. Es mucho más probable que se desarrolle un nuevo patrón de filtración a largo plazo a medida que avanza la excavación. Sin embargo, este patrón será solo un estado promedio y habrá cambios frecuentes con el tiempo que reflejen los cambios climáticos. Esta situación se ilustra en la Figura 7, junto con el comportamiento comúnmente asumido de los suelos sedimentarios. En los taludes residuales, los cambios en el nivel freático y la presión intersticial ocurren tanto en un patrón estacional regular como de manera aleatoria e impredecible como resultado de tormentas repentinas.
Figura 7 Estabilidad a corto y largo plazo de taludes excavados (según Wesley, 2010)
Esta figura muestra un talud de corte sujeto a patrones climáticos variables. Una forma en la que se puede determinar analíticamente el estado de presión intersticial, en el peor de los casos es asumir que la lluvia continúa el tiempo suficiente para que el nivel freático suba a la superficie y cree un estado de filtración estable. Esto puede ser excesivamente conservador, pero al menos pone un límite inferior al factor de seguridad teórico.
Hay entonces dos formas de incluir las presiones intersticiales de este estado en un análisis de círculo de deslizamiento. El primer método, y normal, es determinar la presión intersticial directamente desde la intercepción vertical entre la superficie freática y la superficie de deslizamiento: la suposición de "intersección vertical". En este caso será la distancia vertical desde la superficie del suelo hasta la superficie de deslizamiento. Casi todos los programas de computadora hacen esta suposición, que puede ser razonable en pendientes suaves pero puede dar resultados muy engañosos en pendientes pronunciadas, que es lo que ilustra el ejemplo de la Figura 8.
Figura 8 Influencia de los supuestos de presión intersticial en la estimación del factor de seguridad
El segundo método es considerar la situación práctica de manera realista y determinar una red de flujo compatible con las condiciones de contorno. Las presiones intersticiales se pueden determinar a partir de esta red de flujo. Es evidente a partir de la Figura 8 que la suposición de la intersección vertical, que implica que las líneas equipotenciales son verticales, es físicamente imposible. La sección que corta al terreno nivelado en la parte superior de la pendiente es una línea equipotencial y las líneas de flujo comenzarán perpendiculares a esta. La red de flujo muestra que la mayoría de las equipotenciales a lo largo de las superficies de deslizamiento están lejos de ser verticales.
Los factores de seguridad determinados por los dos métodos, utilizando los programas informáticos, son los siguientes:
- Suposición de intercepción vertical Factor de seguridad = 0,74
- De la red de flujo correcta: Factor de seguridad = 1,15
La diferencia es muy grande, y aunque muchos taludes en suelos residuales pueden no ser tan empinados como en la Figura 8, hay muchos, especialmente en lugares como Hong Kong que son considerablemente más inclinados Por lo tanto, el error en el factor de seguridad podría ser incluso mayor que el indicado en el análisis de la Figura 8.
Conclusiones
Aunque los suelos residuales ocupan alrededor de la mitad de la superficie del mundo, muy pocas universidades los tratan en sus cursos de mecánica de suelos. Esto incluye muchas universidades rodeadas por todos lados por suelos residuales. El resultado es que los ingenieros geotécnicos aplican rutinariamente conceptos válidos solo para suelos sedimentarios a suelos residuales y obtienen una comprensión errónea de su comportamiento.
Ha llegado el momento en que el comportamiento de los suelos residuales deberían ser parte de la mecánica de suelos convencional y una parte integral de los cursos universitarios.
No se puede subestimar la importancia de esto. La educación hoy en día está globalizada de una manera que no ha estado en el pasado y un gran número de estudiantes de Asia, África e Iberoamérica están obteniendo su educación en las universidades de los países occidentales.
Los suelos residuales tienden a ser predominantes en los primeros condados, pero solo el comportamiento del suelo sedimentario está cubierto por los cursos de grado en el segundo.
Por lo tanto, los estudiantes regresan a sus países de origen sin saber que partes significativas de la mecánica de suelos que les han enseñado no se aplican a los suelos residuales que es muy probable que encuentren en sus propios países.