Stress-strain Response of an Unsaturated Volcanic Ash Soil From Colombia

Resumen Técnico: Respuesta Esfuerzo-Deformación de un Suelo de Ceniza Volcánica No Saturado de Colombia

Planteamiento del Problema
Los suelos derivados de cenizas volcánicas (Andisoles) son prevalentes en las regiones andinas de Colombia, sustentando una infraestructura urbana e industrial significativa. A pesar de su amplia ocurrencia, estos suelos residuales presentan desafíos geotécnicos distintivos debido a su mineralogía única (dominada por alofana e imogolita), alta plasticidad, altos índices de vacíos y sensibilidad a las variaciones en el contenido de agua. Estas características a menudo conducen a la inestabilidad de taludes y agrietamientos en áreas pobladas. Si bien se reconoce la influencia de la succión y la cementación en la resistencia al corte, persiste una brecha de conocimiento sobre cómo las variaciones específicas en el contenido de agua y los procesos de remoldeo (recompactación) influyen en la respuesta esfuerzo-deformación, particularmente en términos de parámetros de resistencia al corte ($c'$ y $\phi'$) y módulo de corte ($G$).

Metodología
El estudio utilizó un suelo derivado de ceniza volcánica recolectado en Manizales, Colombia, clasificado como un limo de alta plasticidad (MH) con un límite líquido del 74% y un índice de plasticidad del 37%. La investigación empleó ensayos de Corte Simple Directo (DSS) para evaluar el comportamiento mecánico bajo diversas condiciones.

El programa experimental consistió en 12 ensayos con las siguientes variables:

• Procedimientos de Preparación: Se compararon dos historias de compactación distintas:
  • Compactación Única (SC): Material secado al aire compactado una vez a su contenido de agua óptimo.
  • Doble Compactación (DC): Material que fue pre-compactado, secado al aire, disgregado y re-compactado (simulando un proceso de recompactación).
• Estados Hidráulicos: Las muestras fueron ensayadas en tres condiciones iniciales de contenido de agua:
  • Contenido de agua óptimo ($w_{opt}$).
  • Secado al aire durante tres días tras la compactación ($w_{dry}$).
  • Saturado post-compactación ($w_{sat}$).
• Niveles de Esfuerzo: Los ensayos se realizaron bajo esfuerzos normales efectivos de 50, 100 y 200 kPa.
• Caracterización: El estudio incluyó análisis mineralógico (SEM, EDS), distribución de tamaño de partícula (difracción láser e hidrómetro) y determinación de la curva de retención de agua en el suelo (SWRC).

Resultados Clave

1. Efecto de la Recompactación (DC vs. SC):

   • El proceso de doble compactación indujo cambios estructurales irreversibles, resultando en un mayor peso específico seco ($\gamma_d$ de 11.4 kN/m³ frente a 10.5 kN/m³) y un menor contenido de agua óptimo en comparación con la compactación simple.
   • Las muestras DC exhibieron una resistencia al corte significativamente mayor, con la cohesión efectiva ($c'$) aumentando de 37.2 kPa (SC) a 73.4 kPa (DC) y el ángulo de fricción ($\phi'$) subiendo de 25.7° a 30.6°.
   • Las muestras DC mostraron un comportamiento dilatante (expansión axial) durante el corte a 100 kPa, característico de suelos sobreconsolidados, mientras que las muestras SC generalmente mostraron un comportamiento compresivo.
   • El módulo de corte secante ($G$) fue consistentemente mayor para las muestras DC en todos los niveles de esfuerzo.

2. Influencia del Contenido de Agua y la Succión:

   • Baja Confinación (50 kPa): Las variaciones en el contenido de agua (y, por ende, en la succión) tuvieron un efecto insignificante en la resistencia al corte y el módulo de corte.
   • Alta Confinación (100 y 200 kPa): Se observó un aumento sustancial en la resistencia al corte y el módulo de corte a medida que el contenido de agua disminuía (la succión aumentaba). Esto confirma que la succión matricial actúa como una variable de estado crítico que contribuye al esfuerzo efectivo en niveles de esfuerzo más altos.
   • Respuesta Volumétrica: Las muestras saturadas exhibieron un comportamiento contractivo similar al de los suelos normalmente consolidados. En contraste, las muestras no saturadas (óptimas y secadas al aire) mostraron tendencias dilatantes a 100 kPa debido a las fuerzas capilares. Sin embargo, a 200 kPa, la confinación suprimió la dilatación en las muestras óptimas, devolviéndolas a una respuesta compresiva.

3. Caracterización Mineralógica y Física:

   • Los análisis SEM y EDS confirmaron la presencia de halloysita (morfología tubular cilíndrica) e infirieron la presencia de alofana e imogolita.
   • El análisis de la distribución de tamaño de partícula reveló que el secado induce la agregación de partículas primarias en cúmulos más grandes y estables. La difracción láser mostró una distribución agregada, mientras que el método del hidrómetro (usando dispersantes) mostró tamaños de partícula menores, resaltando la naturaleza sensible a la técnica de la medición de estos suelos.

Significancia y Conclusiones
El estudio concluye que el comportamiento mecánico de los suelos de ceniza volcánica está fundamentalmente gobernado tanto por su historia de compactación como por su estado hidráulico inicial.

• Sensibilidad Estructural: El colapso irreversible de las estructuras de alofana e imogolita al secarse conduce a cambios permanentes en la textura, aumentando significamente la densidad seca y la resistencia al corte tras la recompactación.
• Dependencia de la Succión: La contribución de la succión matricial a la resistencia y rigidez al corte es dependiente de la confinación. Aunque es insignificante a bajos esfuerzos, la succión mejora drásticamente la estabilidad en niveles de esfuerzo más altos.
• Implicaciones de Estabilidad: Los hallazgos subrayan el riesgo crítico que representa la saturación inducida por la lluvia. La eliminación de la succión en estos depósitos desencadena una transición de un comportamiento dilatante a uno contractivo y una pérdida de resistencia, proporcionando una explicación mecánica para la alta susceptibilidad de estos materiales a la inestabilidad de taludes y flujos de lodo en entornos tropicales.

Los autores enfatizan que los análisis de estabilidad para estructuras de tierra que utilicen estos materiales deben considerar el estado hidráulico específico y la historia de compactación del suelo, ya que estos factores dictan la cohesión efectiva, el ángulo de fricción y la respuesta volumétrica.