TTE80

Evaluación de las propiedades de retención de humedad de tres suelos ubicados en El Maule, Pichi-Quepe y Hornopirén.

Por GABRIEL ALEJANDRO ULLOA DELGADILLO

Profesor Guía Msc. Carolina Ingrid Reidel Almarza

Profesor Co-Guía:

Dr. Rodrigo Osses Peña

Profesor Informante:

Dr. Ramón Nazar Soto

Trabajo de Título presentado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica de Temuco para optar al Título de Ingeniero Civil Geológico, Licenciado en Ciencias de la Ingeniería

Temuco, 17 de marzo de 2022

INDICE

INDICE DE FIGURAS .................................................................................................. iii INDICE DE TABLAS .................................................................................................... iv INDICE DE ECUACIONES ........................................................................................... vi AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... viii COMISIÓN EXAMEN DE TÍTULO ............................................................................... ix RESUMEN .................................................................................................................. x ABSTRACT ................................................................................................................. xi INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... xii CAPÍTULO I GENERALIDADES ........................................................................................ 1 1.1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1 1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................. 1 1.3. OBJETIVOS ...................................................................................................... 3 1.3.1. Objetivo general...................................................................................... 3 1.3.2. Objetivos específicos............................................................................... 3 1.4. LIMITACIONES ................................................................................................ 3 1.5. ALCANCES ....................................................................................................... 4 1.6. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 4 CAPÍTULO II ................................................................................................................... 5 MARCO TEÓRICO....................................................................................................... 5 2.1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 5 2.2. SUELOS NO SATURADOS ................................................................................ 5 2.3. SUCCIÓN ............................................................................................................. 8 2.4. CURVA CARACTERÍSTICA .................................................................................. 11 2.4.1. Puntos característicos de la SWCC............................................................ 12 2.4.2. Forma matemática de la curva característica de succión de los suelos. .. 14 2.5. Ensayos para determinar la succión del suelo. ................................................ 15 CAPÍTULO III ................................................................................................................ 17 METODOLOGÍA ....................................................................................................... 17 3.1. iNTRODUCCIÓN ................................................................................................ 17

ii

3.2 TéCNICA SELECCIONADA................................................................................... 17 3.4. Material a ensayar............................................................................................ 21 3.4.1. Ubicación del material ...................................................................................... 25 3.5. técnica de equilibrio de vapor (humectación) ................................................. 28 3.6. técnica de equilibrio de vapor (Secado) .......................................................... 32 3.6.1. Cálculo del porcentaje de humedad. ........................................................ 36 CAPÍTULO IV ................................................................................................................ 37 EXPRESIÓN DE RESULTADOS....................................................................................... 37 4.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 37 4.2. RESULTADOS HUMECTACIÓN ...................................................................... 37 4.2.1 Resultados de humectación con plato cerámico ....................................... 38 4.2.2. Resultados de humectación con rejilla metálica ...................................... 40 4.3. RESULTADOS HUMECTACIÓN CON NACL .................................................... 43 4.3.1 Presentación de los resultados obtenidos. ................................................ 43 4.3.2 Presentación de gráficas. ........................................................................... 45 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...................................................................... 52 Bibliografía .................................................................................................................. 54 ANEXOS ....................................................................................................................... 56 Anexo 1 “Humectación con NaCl” ...................................................................... 56 An exo 2 “Tiempo de equilibrio” .......................................................................... 58 INDICE DE FIGURAS Figura 2- 1: Representación de los suelos parcialmente saturados. a) Generalización; b) Composición del medio poroso. (Modificado Fredlund, 1995)................................ 7 Figura 2- 2: Modelo capilar para análisis de la succión matricial (Buckingham , 1907). ....................................................................................................................................... 9 Figura 2- 3: Curva característica de succión de los suelos (modificada White et al. 1970) ........................................................................................................................... 12 Figura 2- 4: Curvas características de succión representativas de arenas, limos y arcillas (Lu Ning y Likos W.J.,2004) ............................................................................. 13

iii

Figura 3- 1: Muestras de suelo en un ambiente de succión constante (Tang et al., 1998) ........................................................................................................................... 18 Figura 3- 2: Desecador. ............................................................................................... 20 Figura 3- 3: Balanzas digitales de diferentes sensibilidades. ...................................... 20 Figura 3- 4: Muestras implementadas en la elaboración de las curvas de retención de humedad. .................................................................................................................... 23 Figura 3- 5: Muestras utilizadas. ................................................................................. 24 Figura 3- 6: Imagen satelital de la ubicación de Hornopirén 1 y 2. Desarrollada en Argis............................................................................................................................. 25 Figura 3- 7: Imagen satelital de la ubicación de Maule (Cauquenes 2.A)................... 26 Figura 3- 8: Imagen satelital de la ubicación del Maule (Cauquenes 2.B) .................. 26 Figura 3- 9: Imagen satelital de la ubicación de PichiQuepe 3.A................................ 27 Figura 3- 10: Succión total aplicando diversas concentraciones de NaCl (Romero ,2001) .......................................................................................................................... 30 Figura 3- 11: Pesado de NaCl ...................................................................................... 33 Figura 3- 12: Agitador magnético mezclando la sal con el agua pura. ....................... 34 Figura 3- 13: Muestras dentro del desecador............................................................. 35 Figura 4- 1: Curva de retención de agua estimada para Hornopirén 1.A ................... 45 Figura 4- 2:Curva de retención de agua estimada para Hornopirén 1.B .................... 46 Figura 4- 3:Curva de retención de agua estimada para Maule (Cauquenes 2.A) ....... 46 Figura 4- 4:Curva de retención de agua estimada para Maule (Cauquenes 2.B) ....... 47 Figura 4- 5:Curva de retención de agua estimada para PichiQuepe 3.A .................... 47 Figura 4- 6: Ajuste de curva de Hornopirén 1.A.......................................................... 49 Figura 4- 7: Ajuste de curva de Hornopirén 1.B.......................................................... 49 Figura 4- 8: Ajuste de curva Maule 2.A ....................................................................... 50 Figura 4- 9: Ajuste de curva Maule 2.B ....................................................................... 50 Figura 4- 10: Ajuste de curva PichiQuepe 3.A............................................................. 51

Figura A- 1: Tiempo de equilibrio................................................................................ 59

INDICE DE TABLAS Tabla 2- 1:Resumen de diferentes equipos y técnicas de medida de succión modificado de Romero, et al,. (2001) ......................................................................... 16

Tabla 3- 1: Materiales a utilizar................................................................................... 19 Tabla 3- 2: Coordenadas UTM de la ubicación de extracción de las muestras .......... 25

iv

Tabla 3- 3: Humedad relativa con su succión correspondiente, modificado de (Lide & Frederikse, 1997) ........................................................................................................ 32 Tabla 3- 4: Datos extrapolados de la figura 3-4 y tabla 3-2. ....................................... 34

Tabla 4- 1: Porcentajes de humedad de cada suelo ................................................... 37 Tabla 4- 2: Resultados a 15 minutos de humidificación set I plato cerámico. ........... 38 Tabla 4- 3: Resultados a 30 minutos de humidificación set I plato cerámico. ........... 38 Tabla 4- 4: Resultados a 60 minutos de humidificación set I plato cerámico. ........... 38 Tabla 4- 5: Resultados a 120 minutos de humidificación set I plato cerámico. ......... 39 Tabla 4- 6: Resultados a 240 minutos de humidificación set I plato cerámico. ......... 39 Tabla 4- 7: Resultados a 15 minutos de humidificación set II plato cerámico. .......... 39 Tabla 4- 8: Resultados a 30 minutos de humidificación set II plato cerámico. .......... 39 Tabla 4- 9: Resultados a 60 minutos de humidificación set II plato cerámico. .......... 40 Tabla 4- 10: Resultados a 120 minutos de humidificación set II plato cerámico. ...... 40 Tabla 4- 11: Resultados a 240 minutos de humidificación set II plato cerámico. ...... 40 Tabla 4- 12: Resultados a 20 minutos de humidificación set I rejilla metálica........... 40 Tabla 4- 13: Resultados a 40 minutos de humidificación set I rejilla metálica........... 41 Tabla 4- 14: Resultados a 180 minutos de humidificación set I rejilla metálica......... 41 Tabla 4- 15: Resultados a 1440 minutos de humidificación set I rejilla metálica....... 41 Tabla 4- 16: Resultados a 2880 minutos de humidificación set I rejilla metálica....... 41 Tabla 4- 17: Resultados a 20 minutos de humidificación set II rejilla metálica.......... 42 Tabla 4- 18: Resultados a 40 minutos de humidificación set II rejilla metálica.......... 42 Tabla 4- 19: Resultados a 180 minutos de humidificación set II rejilla metálica........ 42 Tabla 4- 20: Resultados a 1440 minutos de humidificación set II rejilla metálica...... 42 Tabla 4- 21: Resultados a 2880 minutos de humidificación set II rejilla metálica...... 43 Tabla 4- 22: Tabla comparativa. .................................................................................. 43 Tabla 4- 23: Succión total vs Contenido de agua gravimétrica de Hornopirén 1.A.... 43 Tabla 4- 24: Succión total vs Contenido de agua gravimétrica de Hornopirén 1.B .... 44 Tabla 4- 25: Succión total vs Contenido de agua gravimétrica del Maule 2.A ........... 44 Tabla 4- 26:Succión total vs Contenido de agua gravimétrica del Maule 2.B ............ 44 Tabla 4- 27: Succión total vs Contenido de agua gravimétrica de Pichi-Quepe 3.A... 45 Tabla 4- 28: Valores de Wsat para cada suelo. ........................................................... 48 Tabla 4- 29: Parámetros de ajuste. ............................................................................. 48 Tabla A- 1: Datos tabulados a implementar ............................................................... 56 Tabla A- 2: Masa seca obtenida en función de la humedad natural set I................... 56 Tabla A- 3: Datos de las muestras a 77% de HR set I .................................................. 56 Tabla A- 4: Datos de las muestras a 83% de HR set I .................................................. 57

v

Tabla A- 5: Datos de la muestra a 89% de HR set I ..................................................... 57 Tabla A- 6: Datos de la muestra a 96% de HR set I ..................................................... 57 Tabla A- 7: Masa seca en función de humedad natural set II..................................... 57 Tabla A- 8: Datos de la muestra a 77% de HR set II .................................................... 57 Tabla A- 9: Datos de la muestra a 83% de HR set II .................................................... 58 Tabla A- 10: Datos de la muestra a 89% de HR set II .................................................. 58 Tabla A- 11: Datos de la muestra a 96% de HR set II .................................................. 58 Tabla A- 12: Tiempo vs Humedad relativa .................................................................. 58 INDICE DE ECUACIONES Ecuación 2- 1: Succión total .......................................................................................... 8 Ecuación 2- 2: Representación de las fuerzas ejercidas. .............................................. 9 Ecuación 2- 3: Modelo de van Genuchten. ................................................................. 14 Ecuación 3- 1:Cálculo del porcentaje de humedad natural del suelo. ....................... 28 Ecuación 3- 2: Calculo de la succión total. .................................................................. 29 Ecuación 3- 3: Grados Celsius a Kelvin ........................................................................ 29 Ecuación 3- 4: Densidad del agua en función de la temperatura. .............................. 30 Ecuación 3- 5: Ecuación para determinar la masa seca .............................................. 36 Ecuación 3- 6: Determinación del contenido de agua gravimétrica........................... 36

vi

Gracias a todos los que me apoyaron, sobre todo a mi familia

vii

AGRADECIMIENTOS

Me gustaría partir agradeciendo a cada persona que estuvo conmigo durante este proceso universitario alentándome a crecer como profesional y como persona. Cabe destacar mi grupo de amigos que estuvieron y están conmigo presente en estos momentos. Siguiendo con los agradecimientos, les doy las gracias a la Universidad Católica de Temuco por brindarme los financiamientos y espacios para poder desarrollar mi proyecto de título, en especial al profesor Daniel Gallegos por las gestiones realizadas y a mi directora de Carrera por su ayuda y autorizaciones correspondientes. Cabe destacar a la Máster Carolina Reidel Almarza por ser mi profesora guía y por despertarme el interés en la mecánica de suelos y brindarme diversos conocimientos sobre esta área. Además de presentarme a varios profesionales expertos en el área. Aquí cabe destacar al Doctor de Ingeniería Geotécnica Rodrigo Osses Peña, funcionario de la universidad de la Frontera, por presentarme un tema a tratar para este proyecto de título y por otorgarme la confianza para desarrollar dicha actividad. Además de brindarme diversas actividades extras que me permiten aumentar mi conocimiento en el área, tanto como de forma teórica y práctica realizando ensayos varios. Otro punto a destacar de este funcionario de la universidad de la Frontera, fue la gestión de otorgarme un espacio para poder llevar a cabo mis ensayos de forma controlada y segura. En este espacio otorgado cabe destacar al Doctor Juan Pablo Cárdenas, jefe del espacio asignado y al Ingeniero Constructor Matías Soto, a quien le agradezco su simpática, apoyo y la disponibilidad de ayudarme, como lo fue con la gestión de instrumentos a utilizar y de varios concejos otorgados. Sobre todo, por darme confianza de utilizar el laboratorio de forma correcta y optima a mi conveniencia. Finalmente agradecer a las personas que ya sea de forma presencial u online me ayudaron, sobre todo al Ingeniero Civil Ramon Nazar por darme tiempo para mis solicitudes.

viii

COMISIÓN EXAMEN DE TÍTULO

Este examen de Título ha sido realizado en el Departamento de Obras Civiles y Geología.

Profesor Guía:

Nombre, Apellido Grado Académico

Profesor Co-Guía:

Nombre, Apellido Grado Académico

Profesor Informante:

Nombre, Apellido Grado Académico

Ministro de Fe:

Nombre, Apellido Grado Académico

Temuco,

ix

RESUMEN

Los suelos parcialmente saturados se encuentran con suma normalidad hoy en día. Sobre estos tipos de suelo se encuentran diversas edificaciones, las cuales para poder ser levantadas se tuvo que analizar el comportamiento del suelo. Estos suelos se comportan de una manera totalmente diferente al resto, debido a que se consideran un sistema trifásico. Una propiedad característica de estos tipos de suelos es la succión, dicho parámetro es de suma importancia en la ingeniería geotécnica debido a que se relaciona directamente con cambios de volúmenes, resistencia y permeabilidad. Además, la medición de este parámetro puede determinar la fiabilidad de las obras que se encuentren en desarrollo sobre estos suelos característicos. Con la medición de la succión podremos generar curvas de retención de humedad o también conocidas como (SWCC, Soil Water Characteristic Curve) que nos permitirán analizar la reacción de estos suelos frente a los cambios de humedad o presencia de agua. Palabras claves: Suelos parcialmente saturados, succión, curva característica de los suelos.

x

ABSTRACT

Partially saturated soils are highly typical nowadays. On these soils lie several buildings, which in order to be raised, the soil mechanical behaviour must be analysed. These soils behave entire differently from regular soils, because they are considered a three-phase system. A characteristic property of these soils is suction, this parameter is of utmost importance in geotechnical engineering because it is directly related to volume, strength and permeability. In addition, the measurement of this parameter can determine the reliability of the works that are in development on these characteristic soils. With this measurement we can generate moisture retention curves, also known as Soil Water Characteristic Curve (SWCC) that will allow us to analyse the reaction of these soils to moisture changes.

Keywords: Unsaturated soil, Sucction, SWCC.

xi

INTRODUCCIÓN

A inicios de la década de los 70s, se comienza con la compresión de los suelos

“Parcialmente Saturados” donde se realizan las primeras formulaciones sobre los

conceptos y teorías principales que abarcan esta nueva extensión de la geotecnia.

A continuación, se presentarán los conceptos claves para el entendimiento de los

suelos parcialmente saturados, su comportamiento y los parámetros que de éstos se

pueden determinar para futuras construcciones de carácter ingenieril. Lo

anteriormente descrito corresponderá a nuestro marco teórico apropiado para el

desarrollo de esta memoria de título.

El parámetro de interés a desarrollar en este proyecto de título es la succión de los

suelos, es decir, su capacidad de retener y liberar el agua que se encuentra presente

en éste. Para determinar este parámetro, se implementará una metodología en base

a diversos factores, factibilidad, amplitud de los valores de succión y sobre todo la

fiabilidad de los dichos valores.

Una vez determinada la succión de los suelos a trabajar, se confeccionarán curvas de

retención de la humedad, donde se verá involucrada la succión en el eje de las

abscisas y el porcentaje de humedad en el eje de las ordenadas. Ya finalizada estas

curvas se procederá a comparar estas curvas en base a su origen mineralógico, ya que

estas muestras que se trabajarán corresponden a muestras extraídas desde la región

del Maule, La Araucanía y Los Lagos.

xii

CAPÍTULO I GENERALIDADES

1.1.

INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presentarán las generalidades del proyecto, como lo es el

planteamiento del problema, que es nuestra principal motivación para el desarrollo

de este proyecto. Además, se incluirán los objetivos generales y específicos, las

limitantes presentes y la respectiva justificación.

1.2.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los suelos son considerados como un sistema trifásico. Sin embargo, la mecánica de

suelos tradicional lo considera como suelos bifásicos o saturados, en los cuales sus

poros se encuentran completamente rellenados por agua o secos.

Lo suelos parcialmente saturados son muy frecuentes de encontrar al momento de

enfrentar obras de carácter ingenieril, debido a que, la mayoría de las construcciones

urbanas del mundo se encuentran sobre un terreno en el cual el nivel freático se

localiza a una profundidad considerable y no de manera superficial. En consecuencia,

de lo descrito anteriormente, los vacíos del suelo se encuentran ocupados en un cierto

porcentaje por agua y otro tanto por aire.

Una propiedad característica de los suelos parcialmente saturados es la presencia de

succión. Dicha presencia, corresponde a un estado de tensiones que se encuentra

directamente relacionado con la presión de poros negativa, y que afecta las

propiedades mecánicas e hidráulicas de los suelos (Fredlund D. , 1995)

Las limitaciones de la mecánica de suelos tradicional son evidentes al momento de

explicar deformaciones en suelos no saturados o parcialmente saturados, o bien de

estructuras apoyadas en el suelo (taludes, hormigón, pavimento, entre otros) sujetos

1

a estados de tensiones totales presentes in situ. Existen algunos estudios donde se

ha demostrado la influencia del grado de saturación en la deformación y resistencia

en los suelos (Alfaro Soto, 2004). Dicha situación suele ser más compleja aún, cuando

nos encontramos con suelos de carácter expansivo o colapsables (Meza Ochoa, 2005).

A modo de ejemplo se puede mencionar la estabilidad de taludes, donde los modelos

utilizados para el análisis cuantitativo de los factores de seguridad fueron

desarrollados para una situación crítica como lo es con suelos saturados. Las muestras

extraídas que serán empleadas para el desarrollo de esta memoria corresponden a

suelos que tienden al deslizamiento de material, común en suelos no saturados. Esto

puede ocurrir después de largos periodos de precipitación debido a la disminución de

las tensiones de succión, es decir, aumenta el grado de saturación desde la humedad

natural en que inicialmente se encontraba. Sin embargo, lo contrario ocurre cuando

se aumenta la resistencia al corte, esto produce el aumento de la succión del suelo,

es decir, disminuye la humedad del mismo. Dicho suceso y siguiendo el ejemplo ya

mencionado genera un aumento en el factor de seguridad.

Las propiedades mecánicas se encuentran directamente relacionadas en función de

la tensión de succión y ésta dependerá netamente del grado de saturación del suelo.

Ahora bien, en suelos parcialmente saturados la mecánica de suelos tradicional no

necesariamente debe ser la más adecuada, por lo que puede generar diseños

sobredimensionados de alto costo y no muy representativos del medio en que se

encuentran.

2

1.3.

OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo general.

• Determinar curvas de retención del agua de tres suelos extraídos en el sector

del Maule, Pichi-Quepe y Hornopirén por medio de la Técnica de Succión

control.

1.3.2. Objetivos específicos.

• Evaluar diferentes metodologías para el cálculo de la succión total de los

suelos extraídos mediante la recopilación de información existente.

• Implementar una metodología en función de la factibilidad técnica y

económica, la cual nos permita determinar la succión total de los suelos.

• Comparar los resultados de suelos de distinto origen mineralógico a través de

las curvas de retención obtenidas, para su posterior expresión de resultados.

1.4.

LIMITACIONES

Las limitaciones presentes constan de la adquisición de los materiales a utilizar, los

permisos de traslados para poder tener un constante monitoreo de las muestras que

se encontrarán en el laboratorio de geotecnia de la Universidad de la Frontera.

Además de los cambios de temperatura que puedan afectar al laboratorio.

3

1.5.

ALCANCES

El presente estudio evaluará el comportamiento estático de los suelos cohesivos de

la región del Maule, La Araucanía y Los Lagos. Con el fin de determinar y comparar su

capacidad de retención y liberación de humedad.

1.6.

JUSTIFICACIÓN

Como se puede observar en el día a día, la mayoría de las construcciones son

realizadas sobre suelos parcialmente saturados. Lo cual genera inconvenientes al

ámbito de la construcción debido a que son suelos susceptibles a cambios en la

humedad, provocando cambios volumétricos ya sean aumentando o disminuyendo

su volumen. En consecuencia, de lo anterior es importante estudiar su capacidad de

retención y liberación de humedad, ya que son factores importantes que aseguran la

estabilidad y fiabilidad de las obras.

4

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

2.1. INTRODUCCIÓN

Gran parte de la población se localiza en centros urbanos en que predominan los

suelos con nivel freático profundos donde los vacíos del suelo no se encuentran

totalmente ocupados por agua, si no, más bien por agua y aire. En dichos lugares, son

necesarias implementar nuevas formulaciones para comprender el comportamiento

de estos suelos, así como, nuevas metodologías para ensayarlos (Wolle, 2004).

A modo de síntesis, dicho estado del suelo representa una de las situaciones más

críticas de éste, además genera simplificaciones al momento analizar el suelo ya que

corresponde a un sistema bifásico, lo que implica limitaciones al momento de estudiar

los suelos parcialmente saturados.

2.2. SUELOS NO SATURADOS

De acuerdo con lo descrito por Fredlund (1995), los suelos parcialmente saturados en

el entorno natural pueden ser esquematizados en la figura 2-1, se representan dos

situaciones de la composición del suelo, tales como: situación general y composición

del medio poroso. En ambos casos se observa una línea horizontal que representa el

nivel freático y que además divide el suelo saturado del suelo no saturado, también

denominado como zona vadosa. Dicho nivel freático constará de una profundidad que

dependerá de las características climáticas e hidrogeológicas de la zona de estudio.

En la parte inferior del nivel freático las presiones intersticiales tendrán un valor

positivo. Sin embargo, la parte superior a dicho nivel donde el suelo presenta cierto

grado de humedad por debajo de la saturación se encontrarán presiones intersticiales

negativas o de poros negativas. Dicha presión resulta ser la diferencia entre las

presiones del aire ( ) y del agua ( ), tal diferencia se denomina como succión

5

matricial y corresponde a una de las dos variables de tensión que describe el

comportamiento de un suelo no saturado.

En la zona vadosa se pueden diferencia tres fases: La primera corresponde al suelo

seco, esta zona es la que se encuentra más cercana a la superficie del terreno y, de

acuerdo con Fredlund (2000), la mayor parte de los vacíos se encuentran llenos de

aire, dando la posibilidad de que exista una fase liquida, pero en estado discontinuo,

es decir, como pequeñas gotas de agua aisladas. El grado de saturación en esta fase

es de aproximadamente 0%.

La siguiente fase corresponde a la zona más cercana al nivel freático, dicha zona

corresponde a la franja capilar, donde mayoritariamente los vacíos existentes están

llenos de agua de manera continua. Sin embargo, no quita la posibilidad de que pueda

existir una fase gaseosa discontinua, es decir, se presentan burbujas de aire. El grado

de saturación de esta franja es cercana al 100%. No obstante, el suelo no es

considerado como saturado y a diferencia de este mismo, el agua que ocupa espacio

en los vacíos se encuentra en una presión negativa, lo que conlleva que sea negativa y se base a través del fenómeno de la capilaridad.

Entre dichas fases descritas anteriormente (suelo seco y franja capilar), existe una

zona intermedia denominada por Fredlund (2000) como zona de dos fases. Esta

corresponde a la zona del suelo parcialmente saturado, aquí el agua y el aire se

encuentran ocupando los poros de una manera continua, mientras que el grado de

saturación oscila en un intervalo de un 20% a 80%. La diferencia entre y la presión de aire en los poros dan como resultado una presión negativa en los poros del suelo.

6

Figura 2- 1: Representación de los suelos parcialmente saturados. a) Generalización; b) Composición del medio poroso. (Modificado Fredlund, 1995).

7

2.3. SUCCIÓN

La propiedad de succión en los suelos parcialmente saturados nace en la física de los

suelos a principios de los años 1900, relacionando el sistema relacionado agua-suelo

plantas (Buckingham, 1907). Este concepto se encuentra compuesto por las variables

de succión matricial ( ) y la succión osmótica ( ) y la suma de dichos componentes se denominan como succión total ( ). La magnitud de la succión total corresponde a las intervenciones totales de las fuerzas de capilaridad, absorción y

osmosis. Esta propiedad se representa en unidades de presión y corresponde a la

siguiente ecuación 2-1.

Ecuación 2- 1: Succión total

= +

La succión total se puede definir como la cantidad de energía asociada a la capacidad

del suelo de retener agua (Lee, H. C & Wray, W. K., 1995). También se puede definir

como la energía requerida para remover una molécula de agua de la matriz de suelo

por medio de la evaporación (Ridley, 1993). Mientras que la succión matricial va

directamente relacionada con el efecto de capilaridad de los suelos y la succión

osmótica se encuentra en función de la presencia de sales disueltas en el agua.

Como se menciona anteriormente, los efectos matriciales provienen de las presiones

desarrolladas por el menisco capilar y la adsorción del agua debido a fuerzas ejercidas

por las superficies de las partículas. Se genera una interfase aire-agua provocada por

los efectos capilares en el menisco que se forma entre las partículas de suelo

adyacentes (Buckingham, 1907). Como se representa en la figura 2-2.

8

Figura 2- 2: Modelo capilar para análisis de la succión matricial (Buckingham , 1907).

Por medio del equilibrio de fuerzas en la interfase aire-agua se puede observar que la

fuerza ejercida por el aire es igual y contraria a las ejercidas por el agua. Se puede

representar como muestra la ecuación 2-2.

Ecuación 2- 2: Representación de las fuerzas ejercidas.

2

( − )=

Donde:

r = Radio del menisco (L);

•

• = Tensión superficial del agua (MT-2)

Existe una restricción que se basa en que si la presión de aire ( ) corresponde a la atmosférica, la presión existente en las moléculas del agua será proporcional a la

tensión superficial y al radio del capilar.

La tensión superficial se origina por las interacciones de fuerzas intermoleculares que

son producidas en las zonas de contacto entre las partículas de suelo, aire y agua,

siendo ésta el principal factor que genera la concavidad de la interfase aire- agua y de

la ascensión de la columna de agua en el tubo capilar. Esta característica es netamente

9

propia del líquido y su valor depende de la temperatura, disminuyendo a medida que

la temperatura aumenta. El valor de la tensión superficial del agua a 20°C es de

0,07275 N/m (Libardi, 1995).

La succión osmótica en la mecánica de suelos parece estar más relacionada con los

suelos dispersivos o expansivos. Como se mencionó, esta variable se encuentra en

función de la presencia de sales disueltas en el agua. Estas sales reducen la presión de

vapor en el espacio que se encuentre sobre la interfase aire-agua, en consecuencia,

de aquello se requiere de una mayor energía para remover una molécula de agua.

Esta energía adicional requerida corresponder a la succión osmótica y es totalmente

independiente de los efectos de la capilaridad.

Las principales variables que afectan a los suelos parcialmente saturados, son los

cambios climáticos ambientales, por ejemplo, las prolongadas lluvias en zonas de

escasas lloviznas. Esto afecta directamente a la succión matricial ya que se cambian

las condiciones naturales del terreno. Sin embargo, el valor de la succión total

corresponde casi integralmente al valor de la succión matricial (Fredlung, DG &

Rahardjo, H, 1993). Debido a eso, en la práctica es usual considerar a la succión del

suelo como la succión matricial.

10

2.4. CURVA CARACTERÍSTICA

La curva característica de succión de los suelos (SWCC) corresponde a la relación

existente entre el contenido de agua del suelo y la succión presente en este mismo.

También es denominada como curva de retención de agua midiendo sus capacidades

de absorción y liberación de ésta.

La comprensión de la curva característica de succión de los suelos es de neta

importancia para el entendimiento de la mecánica de suelos parcialmente saturados.

En consecuencia de lo anterior, la orientación de variadas investigaciones ha sido

encontrar la relación de dicha curva con las propiedades físicas del suelo, además de

la relación con parámetros de resistencia al corte y el coeficiente de permeabilidad

del suelo.

El contenido de agua presente en el suelo puede ser representado en términos de

humedad gravimétrica (w), grado de saturación (S) o humedad volumétrica ( θ ) y al

momento de graficar ésta corresponde al eje de ordenadas, mientras que en el eje de

las abscisas corresponde a la succión total, ésta como corresponde a una energía por

unidad de masa, en ingeniería geotécnica se expresa a través de las unidades de

presión kilo pascales (kPa). Sin embargo, en la práctica geotécnica la curva

característica de succión de los suelos se representa en términos de succión matricial,

ya que en la mayoría de los problemas ingenieriles son provocados por cambios

climáticos donde se altera el estado natural del suelo afectando a la succión matricial,

mientras que los cambios en la succión osmótica son relevantes en el

comportamiento del suelo en los casos donde se presente alteración del contenido

de sales del suelo por efecto de contaminación química (Fredlung, DG & Rahardjo, H,

1993)

11

La curva característica de succión de los suelos no es única para un suelo, ya que su

forma y composición no son las mismas, en función de las trayectorias de

humedecimiento y secado del suelo. Lo que se denomina como “ histéresis ” .

2.4.1. Puntos característicos de la SWCC.

En la curva característica de succión del suelo, en función del grado de saturación

existen tres zonas identificables, como se aprecia en la figura 2-3, la zona de efecto

de borde, zona de transición y zona de saturación residual. Además, se presentan dos

puntos característicos que marcan el límite entre cada capa, el valor de entrada de

aire y el grado de saturación residual.

Figura 2- 3: Curva característica de succión de los suelos (modificada White et al. 1970)

Comenzando por la zona de efecto borde, su gráfica inicialmente es horizontal, es

decir, el suelo permanece en un estado de saturación. Luego el valor de entrada de

aire representa a la succión requerida para que el aire entre a los poros de mayor

tamaño del suelo, iniciando así el secado. A partir de este punto se inicia la zona de

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transición, en dicha fase existe una interfase de aire-agua, sin embargo, el agua de

encuentra de manera continua. Finalmente, a medida que el contenido de agua en

los poros continúa disminuyendo, se alcanza la zona de saturación residual, donde

parte la zona de desaturación residual. El grado de saturación residual corresponde al

contenido de agua que se necesita para que la fase líquida deje de ser continua y los

poros se encuentre repletos principalmente por aire.

La forma característica de WCC depende netamente de los valores de contenido de

agua y succión. Sin embargo, la forma igual se ve en función de la distribución de los

tamaños de los poros, tamaño de las partículas, la densidad, el contenido de arcilla y

la mineralogía del suelo (Lu Ning & Likos W. J, 2004).

A continuación, se presentan curvas características de succión de suelos

representativos, tales como, arenas, limos y arcillas. Se puede apreciar como la

influencia del tamaño de las partículas y poros dan una distinción de cada tipo de

suelo. El valor de la entrada de aire de los suelos gruesos es menor que para los suelos

finos, debido a los tamaños de los poros presentes, se requiere de menor succión para

iniciar la desaturación y predomina la capilaridad en la succión matricial.

Figura 2- 4: Curvas características de succión representativas de arenas, limos y arcillas (Lu Ning y Likos W.J.,2004)

13

2.4.2. Forma matemática de la curva característica de succión de los suelos.

Para aquello, nos basamos en el modelo modificado de van Genuchten (1980), esta

ecuación fue propuesta por Jacinto et al. (2009). Dicho modelo se ha aplicado con

éxito para poder ajustar los resultados experimentales de una amplia variedad de

suelos. La ecuación relaciona el contenido de agua y los valores de succión en el suelo.

El modelo matemático queda definido a través de la ecuación 2-3:

Ecuación 2- 3: Modelo de van Genuchten.

− 

1 1− 

Ψ 0

)

= [1+(

]

Donde:

• = Contenido gravimétrico de agua

Ψ = Succión total

•

• 0 ,  = Parámetros de ajuste de la curva

La curva característica de succión en el suelo se puede obtener de mediciones en

laboratorio o se puede estimar a partir de otras propiedades del suelo como la

granulometría o la plasticidad (Fredlund DG & Wilson GW, 2002).

En el laboratorio, para confeccionar WCC se requiere hacer mediciones de succión a

muestras con diferente contenido de agua. Para ellos se han implementado diversas

técnicas que permiten la obtención de dicho parámetro. Sin embargo, dicha curva no

permite utilizarse para estimar succión de forma in situ , dado que las condiciones

naturales no serán las mismas que en laboratorio.

14

2.5. ENSAYOS PARA DETERMINAR LA SUCCIÓN DEL SUELO.

El parámetro succión de los suelos juega un rol de suma importancia al momento de

querer realizar obras de carácter ingenieril sobre suelos parcialmente saturados. Por

ende, se han confeccionado numerosas técnicas que nos permitan obtener este

parámetro. Cada una de estas técnicas trae consigo factores que influyen en la

decisión del ensayo a implementar, tales como los costos, confiabilidad de los

resultados y rango de la succión, además está la variación de complejidad de cada

ejecución del ensayo.

Existen dos grandes categorías que dividen estos ensayos: los métodos directos e

indirectos.

Los métodos directos son aquellos que nos permiten medir la humedad relativa del

aire en el suelo, esta se relaciona con la transferencia de vapor y succión total.

Además, nos otorga la medición de tracción de la fase líquida que se relaciona a la

succión matricial.

Para los métodos indirectos se hace uso de diferentes fenómenos físicos relacionado

al contenido de humedad de un medio poroso en contacto o sin contacto con el suelo.

Dicho método nos permite medir la succión total, matricial y osmótica, es por ello que

se tiene muchas formas de trabajar en función del parámetro que se quiera obtener.

Sin embargo, el tiempo de equilibrio en estos ensayos es muy superior al de los

métodos directos.

A continuación, se presenta una tabla 2-1, a modo de resumen de los equipos, tipo de

succión, fenómeno basado, rango y tiempo de equilibrio.

15

Tabla 2- 1:Resumen de diferentes equipos y técnicas de medida de succión modificado de Romero et al. (2001).

Equipo

Succión

Fenómeno medido Humedad relativa (diferencia Temp.) Humedad relativa (diferencia Temp.)

Rango (MPa)

Tiempo de equilibrio

Psicrómetro de Transistor SMI

Total Osmótica

0.3 – 25

Minutos

Psicrómetro de termopares WESCOR

Total Osmótica

0.3 – 7

Minutos

Higrómetro capacidad/resistiv o

Total

Humedad relativa (capacidad/resis ten.)

10-400

Minutos

Higrómetro de espejo (punto rocío)

Total

Humedad relativa (diferencia Temp.)

3 – 400

Minutos

Papel de filtro

Total (sin contacto) Matricial (contacto) Matricial

Contenido de humedad

0.4-40

Mínimo 7 días

Placa de succión

Tracción de agua Traslación de ejes

0 – 0.08

Horas/días

Placa de presión con membrana acetato

Matricial

0 – 7

Días/semanas

Tensiómetro

Matricial

Tracción de agua

0 – 0.08

Minutos

Conductividad Térmica

Matricial

Conductividad térmica

0 – 1.5

Días/semanas

Técnica de Squeezing

Osmótica

Conductividad eléctrica Contenido de humedad

0 – 3

Horas/días

técnica de control de vapor

Total

5-3000

Días/Semanas/mes

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CAPÍTULO III METODOLOGÍA

3.1. INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presentará la técnica de succión-control seleccionada en base a

criterios técnicos, de fiabilidad y económicos. Además, se incluirá la metodología a

seguir, para llevar a cabo de manera satisfactoria el desarrollo de este proyecto de

título. Se incluirán las localidades de las muestras extraídas.

3.2 TÉCNICA SELECCIONADA

En base a la revisión de antecedentes, se determina que el ensayo a implementar será

la técnica de equilibrio de vapor. Esta técnica permite determinar la succión total de

manera indirecta. La técnica se aplica sobre todo para succiones elevadas y consiste

en colocar la muestra en una cámara cerrada, en la que la humedad relativa tenga un

valor constante y se genere la succión esperada (Villar, 2000). Este proceso de

transferencia de humedad entre el sistema cerrado y las muestras es lento. Para

acelerarlo se puede generar un vacío dentro del desecador.

Blatz et al. (2008) establecieron que la técnica de equilibrio de vapor se encuentra en

función de la humedad relativa en el sistema, esta variará dependiendo de las

concentraciones de soluciones saturadas de sales o disoluciones. El rango de succión

oscilará entre los 5 y 3000 MPa.

Tang et al. (2005) sostiene mantener una temperatura controlada para asegurar el

equilibrio de este ensayo. Por lo general, para controlar la humedad relativa se utilizan

soluciones de Cloruro de Sodio (NaCl) y Cloruro de Potasio (KCl).

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En la figura 3-1, se muestra la técnica de equilibrio de vapor implementada en

desecador utilizado por Tang et al. (1998).

Figura 3- 1: Muestras de suelo en un ambiente de succión constante (Tang et al., 1998)

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Si bien esta metodología de ensayo es la que requiere más tiempo para llegar al

equilibrio, es la que presenta un amplio rango de valores de la presión de succión.

Esto hace posible la no limitación de los valores de la presión de succión debido a que

todos los métodos tienen sus rangos no son tan amplios como este.

Este ensayo requiere de una baja inversión inicial en referencia a los equipos y

materiales a ocupar, además de la facilidad adquisición de estos mismos.

Una vez ya definida la metodología a implementar para determinar la succión total de

las muestras, procedemos a adquirir los materiales y equipos a utilizar. Los cuales son

mencionados en la tabla 3-1.

Tabla 3- 1: Materiales a utilizar.

• Horno de secado regulable a 40 ± 5 °C.

Balanza con precisión de 0.01 g

•

• Balanza analítica de 0.001 g de legibilidad.

Capsulas plásticas o de vidrio

•

Desecador.

•

Gel de sílice.

•

Agua desionizada

•

NaCl.

•

Guantes de látex.

•

Higrómetro

•

19

Figura 3- 2: Desecador.

Figura 3- 3: Balanzas digitales de diferentes sensibilidades.

20

3.4. MATERIAL A ENSAYAR

A continuación, se presentarán las muestras a utilizar para la elaboración de las

diferentes curvas de retención de humedad. Para ellos se trabajará con 2 muestras

gemelas del mismo suelo. Estas muestras corresponden a 1.A- 1.B provenientes de la

localidad de Hornopirén, 2.A-2.B provenientes de Cauquenes de la zona de la

cordillera de la costa y 3.A proveniente de la PichiQuepe.

Dado que Chile posee un extenso territorio con climas y condiciones atmosféricas

totalmente distintas en el Norte, Centro y Sur de éste, la geología de los suelos

evaluados en este proyecto de título es totalmente distinta una de otra, ya que estos

fueron extraídos desde diferentes puntos del territorio nacional.

Los Suelos denominados como 2.A y 2.B corresponde a la región del Maule. Esta

región se caracteriza por tener climas templados-cálidos, con respectivas lluvias

invernales y con estaciones secas. El suelo en esta región es muy variado ya que

provienen de distintos tipos de rocas metamórficas. Estos suelos corresponden al

orden de la Cordillera de la Costa, y son clasificados como Alfisoles. Estos son suelos

maduros que presentan iluviación de arcilla. Estos presentan generalmente una

coloración rojiza, sin embargo, igual pueden presentarse suelos con colores más

amarillentos. En base a los datos experimentales obtenidos el suelo 2.B tiene una

capacidad mayor para absorber el agua en comparación a al suelo 2.A. Esto quiere

decir que al momento de ocurrir una lluvia de magnitud considerable el suelo 2.B será

más propenso de deslizamiento de masa, ya que retendrá más agua en sus poros lo

que generará una disminución en la fuerza que ejerce el suelo para remover el agua

de la matriz del suelo (Ridley, 1993)

La ubicación del suelo 3.A corresponde a la región de La Araucanía. El clima en este

sector es generalmente cálido y templado, aunque los inviernos suelen ser muy

lluviosos. Este suelo posee un tono pardo a pardo oscuro en seco, posee textura

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