martes, 5 de julio de 2011

La pérdida de succión en la estabilidad de taludes ...o ¿porqué existen taludes, en suelos granulares, con pendientes superiores al ángulo de rozamiento?

La Mecánica de Suelos Clásica se ha interesado principalmente por los suelos saturados. Ello se debe a que, en general, la resistencia y rigidez de los suelos parcialmente saturados son superiores, por lo es conservador suponer que, en cualquier caso, los suelos pueden estar saturados (en la mayoría de los casos, es posible que se llegue a esta situación). 

De la misma forma, el estudio de los suelos saturados es mucho más sencillo, consecuentemente, los conceptos clásicos de la Mecánica de Suelos fueron desarrollados, en su mayoría, considerando el suelo en estado saturado; sin considerar la fase gaseosa que está presente en casi todos los suelos. 

Fases diferenciables de un suelo.  Sólida (partículas minerales),  gaseosa y líquida

Por razones prácticas, se asumió esta condición como la más crítica; siendo una simplificación para tratar de explicar el comportamiento del terreno en un sistema bifásico (agua + suelo). Un ejemplo claro de ello, es el análisis de la estabilidad de taludes, donde los modelos empleados para la evaluación de los factores de seguridad, consideran la saturación al 100% como la condición más conservadora.
Sin embargo, los problemas de inestabilidad de taludes son propios de suelos parcialmente saturados, que pueden ocurrir después de largos periodos de lluvia debido al aumento del grado de saturación, que conlleva a su vez la disminución de las tensiones de succión (confiriéndose a esta última variable, la responsabilidad de las modificaciones de los parámetros mecánicos del suelo).

Talud de gran pendiente, formado por gravas en matriz limo-arenosa
(Miraflores, Perú)

Con relación a la estabilidad de taludes en suelos, hay que destacar que, en su condición natural, se trata, generalmente, de suelos parcialmente saturados. En estos materiales es frecuente encontrar taludes casi verticales de altura considerable, como también es común encontrar fallas de taludes en apariencia estables por causa de precipitaciones o inundación.

Deslizamento, en suelo granular, producido por precipitaciones intensas

El caso contrario a la inestabilidad de los suelos parcialmente saturados, se consigue cuando la disminución de la humedad produce un aumento de la succión (en suelos muy secos se introducen tensiones de succión que pueden alcanzar valores de miles de bares), generando un incremento inseparable en la resistencia al corte, y por ende en los factores de seguridad.

Talud natural, cuasi-vertical, en Lahar (Chiriquí, Panamá)

Por lo anterior, sería erróneo clasificar geotécnicamente un suelo parcialmente saturado con valores altos de cohesión y ángulo de fricción interna, (para un análisis de estabilidad de taludes), si dicho suelo se encuentra bajo la influencia de largos periodos de precipitación, puesto que, se estaría sobrevalorando su resistencia al corte. Al producirse un incremento hidrostático, el suelo pierde la succión (cuando un suelo se encuentra saturado, la succión toma un valor de cero) y su capacidad de resistir las fuerzas que lo desequilibran dando lugar a la falla o rotura.

Cuando un suelo está parcialmente saturado, la presión del aire es normalmente nula (igual a la atmosférica), salvo en casos de confinamiento intenso a gran profundidad, por lo que, la presión del agua en los meniscos será negativa (succión capilar). La saturación de un suelo implica cambios de volumen del suelo, que en determinados casos pueden ser importantes. En el caso de suelos granulares (gravas y arenas), estos apenas sufren cambios de volumen al saturarse, mientras que los suelos de grano fino presentan mayores cambios.

Talud en suelos, frente al mar (Lima, Perú)

La resistencia al esfuerzo cortante de los suelos parcialmente saturados, involucra básicamente los mismos principios de los suelos saturados. Sin embargo, existe una gran diferencia, puesto que en los suelos parcialmente saturados, los poros no solamente contienen agua, sino que también, hay una proporción de aire que depende del grado de saturación de los mismos. Esta condición, conlleva un comportamiento mecánico que difiere uno del otro y que induce cierta complejidad al conjunto.

En los suelos parcialmente saturados, los poros están ocupados por dos fluidos, agua y aire, los cuales pueden estar en equilibrio a presiones que difieren en uno y otro, debido a la tensión superficial. Ante esta situación, el comportamiento de los suelos parcialmente saturados (es decir, su deformación y resistencia), sería función de las tensiones totales e intersticiales como variables independientes. Por tanto, la hipótesis más general es que el comportamiento es función de dos variables tensionales independientes, en lugar de una sola tensión efectiva.

ζ=c´+ (σ-ua)*tanΦ´+ (ua-uw)*tanΦb


Los suelos parcialmente saturados han sido objeto de numerosos trabajos de investigación en las últimas dos décadas, y existe la base teórica para entender su comportamiento. La dificultad para implementar la teoría está en la complejidad de las pruebas de laboratorio y de campo, requeridas para medir las variables que definen el estado de esfuerzos en suelo parcialmente saturado.

Lo suelos son materiales compuestos de partículas sólidas, fluidos y gases, entre ellos diferentes tipos de minerales, materia orgánica, agua, sales disueltas, etc. Para fines prácticos, se describe un suelo, como un sistema de tres fases: sólidos, agua y aire, Fredlund y Morgenstern (1977) (en Fredlund & Rahardjo, 1993) propusieron un sistema de cuatro fases, mediante la adición de la película aire-agua como cuarta fase, denominada por ellos la “membrana contráctil”, por su capacidad de resistir esfuerzos de tensión. Bajo este concepto desarrollaron su teoría de estado de esfuerzos de los suelos parcialmente saturados.


Como se puede observar en la imagen anterior, el criterio de rotura para los suelos no saturados, no solo vincula el ángulo de fricción interna del suelo, sino que también relaciona el ángulo de fricción interna con respecto a la succión matricial, por lo que en ese estado la resistencia al corte es mayor y por ende la envolvente de rotura esta alejada en el circulo de Mohr.

Si el suelo pasa de una condición de saturación parcial a una saturación completa, este pierde la succión, provocando una disminución de la resistencia al corte del suelo y el desplazamiento de la envolvente de rotura en el círculo de Mohr, lo que se puede traducir en la falla o rotura del suelo. 

Un aumento de la succión (ua-uw) ocasionada por ejemplo por la perdida de humedad, de un suelo sujeto a la evaporación, aumenta la magnitud de la resistencia en mayor o menor grado de acuerdo a las características (peso específico, capacidad de retención de agua, textura, mineralogía, entre otros) del suelo, pero que a su vez se puede perder dada la condición de saturación del terreno. 

Deslizamiento de talud en suelo parcialmente saturado
Causado por precipitación prolongada

Este análisis teórico pretende explicar, desde los conceptos clásicos de la Mecánica de Suelos, el aumento de la resistencia y por ende en la estabilidad de los taludes en suelos parcialmente saturados (frente al suelo saturado). Lo que nos permite inferir que aunque los taludes parezcan verticales y muy resistentes, en el momento de ser afectados por la acción del agua, perderán su resistencia, modificándose su geometría por efecto de deslizamientos.


Experimento simple que muestra cómo un suelo, parcialmente saturado,
pierde la resistencia al saturarse. Nótese que el terreno, antes de ser cubierto 
por agua, posee una resistencia elevada.  


Visto lo anterior, si es previsible la saturación del suelo, es oportuno emplear los parámetros de suelos saturados para el análisis geotécnico

De la misma forma, esperamos haber explicado ¿porqué pueden "existir" taludes cuasi verticales, en suelos parcialmente saturados? Debiéndose este efecto a la succion matricial que aumenta la resistencia al corte.







3 comentarios:

  1. Magnífica introducción a la mecánica de suelos no saturados. Lo cierto es que aún estoy por encontrarme por primera vez con uno de esos ensayos edométricos con control de succión que al parecer, "haberlos hailos".

    Tengo entendido que la succión también juega un papel importante en la expansividad del terreno y quizás algún día me atreva con ello.

    Por lo que respecta a la estabilidad de taludes, por el momento y para suelos arcillosos, me conformo con saber si mis parámetros de resistencia al corte de laboratorio corresponden a muestras con una consistencia por debajo o por encima de la correspondiente al Límite Plástico y de esta manera ser más o menos conservador respectivamente en cuanto a su parametrización geotécnica por lo lejos o cerca que se encuentre con respecto a la del Límite Líquido. Entiendo que viene a estar relacionado con este mismo asunto, más humedad, más saturación, menos succión, menor consistencia y menor resistencia al corte.

    Baltasar Gracián (1601-1658): "El primer paso de la ignorancia es presumir de saber."

    Saludos a todos.

    Posted by Jose Maria Dominguez Fernandez

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  2. vuelvanse a la uni y estudien mejor la lección que la idea de la pérdida de corte por aumento de la humedad ya se pasó de moda

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  3. Amigo(a) Anómino(a):

    Quizás no supimos explicarnos bien. Específicamente nos referimos a la pérdida de succión, no a la "pérdida de corte".

    En todo caso, si se observa la envolvente de falla en extensión del criterio Mohr-Columb en suelos parcialmente saturados se puede apreciar que el ángulo de rozamiento interno apenas varía.

    De la misma forma aparecen tres nuevos elementos, estos son:

    Succión Matricial: El termino (ua – uw) es conocido como succión matricial, y puede definirse como una medida de la energía requerida para remover una molécula de agua de la matriz del suelo sin que el agua cambie de estado (Ridley, 1993). Para un suelo en equilibrio con la presión atmosférica, uw es el esfuerzo medido a través de una punta porosa que está haciendo contacto íntimo con el agua del suelo. Si la presión de aire del ambiente ua se incrementa, entonces la presión de agua de poros uw también se incrementará en la misma cantidad y la succión matricial no cambiará. Este resultado forma la base de la “técnica de traslación de ejes” (Hilf, 1956) en la cual la presión de aire sobre una muestra se incrementa hasta que la presión de agua de poros llega a ser positiva y puede ser medida con equipos convencionales (Burland y Ridley, 1996).

    Succión Total: Es una medida de la energía requerida para remover una molécula de agua de la matriz del suelo a través de evaporación (Ridley, 1993). A una temperatura dada, la cantidad de energía requerida para que una molécula de agua escape desde el menisco será una función del radio de curvatura del menisco y de la concentración de sales en la solución. Además, la succión total es igual a la suma entre la succión matricial y la succión osmótica.

    ....y la Succion Osmótica: Tiene que ver con el hecho que la presencia de sales en el agua reduce la presión de vapor en el espacio sobre la interfase aire-agua, y la energía requerida para remover una molécula de agua de la fase liquida del suelo se incrementa. El esfuerzo adicional requerido para remover la molécula de agua, causado por las sales disueltas, es llamado succión osmótica (Burland y Ridley, 1996). Esta reducción en la presión de vapor puede ser relacionada con la concentración de la solución de sal. Para todos los propósitos prácticos, el valor de la succión matricial (ua – uw), no es afectada por la presencia de sales en el agua. Así, la succión matricial y la succión osmótica pueden ser consideradas variables independientes (Burland y Ridley, 1996).

    Finalmente, el concepto de tensión superficial se refiere a fuerzas intermoleculares actuando sobre las moléculas en la superficie de un líquido. Se sabe que las moléculas en el interior de un líquido son sometidas a fuerzas iguales en todas las direcciones, mientras aquellas moléculas que se encuentran en la superficie, experimentan una fuerza resultante hacia el interior del líquido. Si una superficie sólida está en contacto con el liquido, grandes fuerzas moleculares y físico-químicas actúan entre las moléculas del sólido y el liquido. Por ejemplo, en el caso de un tubo capilar limpio de vidrio que esta parcialmente sumergido en un recipiente con agua, se presenta una fuerza resultante hacia arriba sobre el agua en la interfase líquido/vidrio y el agua en el tubo se elevará sobre el nivel de superficie de agua libre. Pudiéndose deducir que para un tubo capilar, la presión de agua será negativa cuando ua sea igual a la presión atmosférica (Burland y Ridley, 1996).

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