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Secant Young’s moduli under total and effective stress conditions for saturated soft clays obtained from tests in the cyclic triaxial chamber

Este estudio investiga arcillas blandas saturadas de la Ciudad de México mediante ensayos triaxiales cíclicos para demostrar que la distribución no uniforme de la presión de poros influye significativamente en el cálculo de los módulos de Young secantes bajo condiciones de esfuerzo efectivo, a diferencia de las interpretaciones tradicionales de esfuerzo total, y evalúa la degradación del módulo resultante utilizando el modelo constitutivo de González y Romo (2011).

Autores originales: Rigoberto Rivera, Carmelino Zea, Osvaldo Flores, Alexandra Ossa, Enrique Gómez, Mary B. Morante

Publicado 2026-09-30

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CC BY 4.0

Autores originales: Rigoberto Rivera, Carmelino Zea, Osvaldo Flores, Alexandra Ossa, Enrique Gómez, Mary B. Morante

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Bajo las calles de la Ciudad de México, el suelo no es roca sólida, sino una capa gruesa de arcilla blanda saturada de agua. Este suelo se comporta como una esponja que ha sido exprimida hasta secarse y luego empapada de nuevo; es pesado, se deforma fácilmente al presionarlo y retiene una gran cantidad de agua dentro de sus diminutos espacios. Cuando la tierra se sacude durante un terremoto, esta agua atrapada dentro de la arcilla no puede escapar rápidamente. En su lugar, el movimiento de sacudida fuerza un aumento en la presión del agua, separando las partículas del suelo y provocando que el terreno pierda su resistencia, lo que a veces hace que los edificios se hundan o se inclinen. Los ingenieros necesitan saber exactamente qué tan rígido es este suelo y cómo reaccionará ante estas fuerzas de sacudida para diseñar cimentaciones seguras. Para averiguar esto, generalmente colocan un cilindro de la arcilla en una máquina que la comprime mientras la sacude de un lado a otro, midiendo cuánto se resiste al movimiento.

Durante décadas, un supuesto estándar ha guiado estas mediciones: que la presión del agua dentro del cilindro de arcilla es la misma en todas partes, desde la parte superior hasta la inferior. Debido a que la arcilla es tan gruesa y lenta para dejar pasar el agua, los investigadores han medido típicamente la presión del agua solo en la parte inferior de la muestra, utilizando esa única lectura para interpretar el comportamiento del suelo en términos de esfuerzo total. Si la presión es uniforme, las matemáticas utilizadas para calcular la rigidez del suelo son sencillas. Sin embargo, si la presión es en realidad diferente en la parte superior respecto a la inferior, el cálculo estándar podría ser engañoso, llevando potencialmente a los ingenieros a creer que el suelo es más rígido o más débil de lo que realmente es. Esta incertidumbre importa más en lugares como la Ciudad de México, donde el suelo es excepcionalmente blando y el riesgo de falla del terreno durante un terremoto es alto.

Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional Autónoma de México se propuso poner a prueba este supuesto largamente sostenido. Tomaron muestras inalteradas de la arcilla gris oscura de la zona del lecho lacustre del Valle de México y las colocaron dentro de una máquina especializada llamada cámara triaxial cíclica. Este dispositivo actúa como una olla de presión de alta tecnología que puede apretar el suelo desde todos los lados mientras simultáneamente lo empuja de arriba abajo para simular las sacudidas rítmicas de un terremoto. Los investigadores programaron la máquina para sacudir el suelo a tres velocidades diferentes —0.5, 1.0 y 2.0 veces por segundo— imitando el rango de frecuencias encontradas en eventos sísmicos reales. Crucialmente, no dependieron de un solo sensor. En su lugar, instalaron manómetros en tres ubicaciones distintas: en el pedestal inferior, en la tapa superior y a lo largo del medio lateral del cilindro de arcilla. Luego sometieron las muestras a niveles crecientes de esfuerzo de sacudida, aplicando veinte ciclos de sacudida en cada paso hasta que el suelo alcanzó su punto de ruptura.

Los resultados revelaron que el viejo supuesto era incorrecto. La presión del agua generada dentro de la arcilla no era uniforme; variaba significificadamente dependiendo de dónde se midiera. En cada prueba, la presión fue más alta en la base del espécimen, más baja en la parte superior y casi insignificante a lo largo de los lados. Esta diferencia no fue una fluctuación menor. A medida que la intensidad de la sacudida aumentaba, la brecha entre la presión en la base y la presión en la parte superior se hacía más amplia. En los niveles más altos de esfuerzo, la diferencia de presión entre la base y la parte superior alcanzó los 51 kilopascales, mientras que la diferencia entre la base y los lados, donde los valores eran casi insignificantes, fue de hasta 70 kilopascales. Los investigadores encontraron que sacudir el suelo más rápido, a 2.0 veces por segundo, creaba diferencias de presión aún mayores en comparación con una sacudida más lenta, sugiriendo que la velocidad del terremoto importa tanto como la fuerza de la sacudida.

Estos hallazgos tienen un impacto directo y dramático en cómo los ingenieros calculan la rigidez del suelo, una propiedad conocida como el módulo de Young secante. Cuando los investigadores calcularon esta rigidez utilizando el método tradicional —el cual depende de la presión medida únicamente en la base e interpreta los resultados en términos de esfuerzo total— obtuvieron un conjunto de números. Cuando recalcularon la rigidez utilizando la presión del agua real medida en la base para determinar el esfuerzo efectivo, los números cambiaron drásticamente. El suelo parecía ser significativamente menos rígido cuando se tomó en cuenta la alta presión del agua en la base. En algunos casos, el cálculo tradicional sobreestimó la rigidez del suelo por un factor de más de dos en comparación con el cálculo basado en la presión real de la base. Sin embargo, cuando utilizaron la presión medida en la parte superior del espécimen, la diferencia fue menor, aunque todavía perceptible. El descubrimiento más sorprendente fue que, debido a que la presión a lo largo de los lados era tan baja, la rigidez calculada usando el esfuerzo total era casi idéntica a la rigidez calculada usando el esfuerzo efectivo basado en la baja presión lateral.

El estudio concluye que para estas arcillas específicas y muy blandas, la práctica estándar de medir la presión solo en la base es insuficiente. La distribución no uniforme de la presión del agua es un fenómeno físico real que no puede ignorarse, especialmente cuando el suelo es sometido a sacudidas rápidas. Si los ingenieros continúan usando el método tradicional, corren el riesgo de juzgar erróneamente cómo se comportará el terreno durante un terremoto, lo que podría llevar a diseños que sean o demasiado conservadores o peligrosamente optimistas. Los investigadores demostraron que, al medir la presión en múltiples puntos, podían mapear el estado real del suelo y calcular su rigidez con mayor precisión. También demostraron que este comportamiento complejo podía describirse mediante un modelo matemático que se ajusta bien a los datos experimentales, permitiendo una mejor comprensión de cómo el suelo se degrada y pierde resistencia conforme la sacudida continúa. Este trabajo no solo refina un número; corrige un malentendido fundamental de cómo el agua se mueve y presiona dentro del suelo blando que sostiene a algunas de las ciudades más vulnerables del mundo.

Resumen Técnico: Módulos de Young Secantes bajo Condiciones de Esfuerzo Total y Efectivo para Arcillas Blandas Saturadas

Planteamiento del Problema
En la ingeniería geotécnica, la determinación de los parámetros de deformación dinámica para arcillas blandas saturadas, particularmente aquellas de muy baja permeabilidad como las arcillas lacustres de la Ciudad de México, presenta desafíos significativos. Un problema primordial es la distribución no uniforme de la presión de poros dentro de un espécimen de suelo durante un ensayo triaxial no drenado. Si bien la presión de poros se mide tradicionalmente solo en la base del espécimen, la literatura (por ejemplo, Josseaume, 1971; Kimura y Saitoh, 1983) indica que, en arcillas de alta plasticidad y baja permeabilidad, la ecualización de la presión no es inmediata. Esto se ve exacerbado por el retraso en la respuesta de los dispositivos de medición y las restricciones de frontera en la placa superior y el pedestal de la base, lo que crea estados de deformación no uniformes. En consecuencia, la suposición de una presión de poros uniforme suele fallar, lo que genera incertidumbres en el cálculo de los parámetros de esfuerzo efectivo. Estudios previos sobre las arcillas de la Ciudad de México han interpretado típicamente los módulos de deformación dinámica en términos de esfuerzos totales o se han basado en mediciones de presión de poros únicamente en la base, lo que podría representar erróneamente el comportamiento de esfuerzo efectivo del suelo bajo carga cíclica.

Metodología
Para abordar estas incertidumbres, los autores realizaron una serie de ensayos triaxiales cíclicos en especímenes de arcilla blanda undisturbed (no perturbada), saturada (alta plasticidad, CH) obtenidos del Valle de México. Los ensayos se realizaron utilizando un aparato triaxial cíclico automatizado, controlado por esfuerzo, capaz de operar a frecuencias de excitación de 0.5, 1.0 y 2.0 Hz.

Las innovaciones metodológicas clave incluyeron:

Medición de Presión de Poros en Múltiples Puntos: A diferencia de las configuraciones convencionales, las presiones de poros se midieron simultáneamente en tres ubicaciones distintas: la base del espécimen, la placa superior y la periferia lateral (altura media).
Condiciones de Esfuerzo: Los especímenes fueron consolidados isotrópicamente a esfuerzos efectivos ( $\sigma'_c$ ) predeterminados y luego sometidos a incrementos escalonados de esfuerzos desviadores verticales cíclicos ( $\pm \sigma_z$ ) hasta la falla.
Análisis de Datos: Se construyeron lazos de histéresis tanto para esfuerzos totales ( $\pm \sigma_z$ vs. $\pm \varepsilon_z$ ) como para esfuerzos efectivos ( $\pm \sigma'_z$ vs. $\pm \varepsilon_z$ ). Los lazos de esfuerzo efectivo se generaron utilizando los datos de presión de poros de la base, la parte superior y la periferia para calcular los correspondientes módulos de Young secantes ( $E_z$ y $E'_z$ ).
Modelado: La degradación de los módulos de Young secantes con niveles crecientes de deformación se ajustó utilizando el modelo constitutivo propuesto por González y Romo (2011).

Resultados Clave
Los datos experimentales revelaron una falta de uniformidad significativa en la distribución de la presión de poros y su impacto en el cálculo del módulo:

Distribución de la Presión de Poros: Las presiones de poros no fueron uniformes. Los valores más altos se registraron consistentemente en la base, seguidos por la placa superior, mientras que los valores en la periferia del espécimen fueron casi despreciables.
- La diferencia de presión de poros entre la base y la periferia ( $2u_b - 2u_p$ ) osciló aproximadamente entre 13 kPa en relaciones de esfuerzo bajas ( $\sigma_z/\sigma_{zf} = 0.25$ ) y 70 kPa en relaciones de esfuerzo altas ( $\sigma_z/\sigma_{zf} = 0.90$ ).
- Esta falta de uniformidad aumentó con frecuencias de carga más altas (comparando 0.5 Hz con 2.0 Hz) y mayores amplitudes de esfuerzo.
Impacto en los Módulos de Young Secantes: La presión de poros no uniforme influyó significativamente en el cálculo de los módulos de esfuerzo efectivo ( $E'_z$ $E_{z}^{'}$ ).
- La relación entre el módulo de esfuerzo total y el módulo de esfuerzo efectivo calculado con la presión de poros de la base ( $E_z / E'_{zb}$ ) osciló entre 1.46 y 2.42.
- La relación utilizando la presión de la placa superior ( $E_z / E'_{zh}$ ) fue menor, oscilando entre 1.23 y 1.40.
- Debido a que las presiones de poros periféricas fueron despreciables, los módulos de esfuerzo total ( $E_z$ ) y los módulos de esfuerzo efectivo calculados en la periferia ( $E'_{zp}$ ) resultaron ser prácticamente idénticos.
Dependencia de la Frecuencia y el Esfuerzo:
- Los módulos de esfuerzo total ( $E_z$ ) parecieron ser mayormente independientes de la frecuencia de excitación para un esfuerzo de confinamiento dado.
- Los módulos de esfuerzo efectivo ( $E'_{zb}$ ) mostraron dependencia de la frecuencia de excitación, aunque no se estableció una ley de comportamiento clara en el rango probado (0.5–2.0 Hz).
- La variación de los módulos de esfuerzo efectivo normalizados ( $E'_z / \sigma'_c$ ) dependió altamente del nivel de esfuerzo de consolidación, mientras que los módulos de esfuerzo total no lo hicieron.

Significancia y Conclusiones
El artículo concluye que, para arcillas blandas saturadas con muy baja permeabilidad, la práctica tradicional de medir la presión de poros únicamente en la base del espécimen y asumir una distribución uniforme es insuficiente para determinar con precisión los parámetros de esfuerzo efectivo bajo carga cíclica. El estudio demuestra que:

La distribución no uniforme de la presión de poros y la deformación es un fenómeno crítico que debe considerarse al interpretar ensayos triaxiales cíclicos en tales suelos.
Ignorar esta falta de uniformidad conduce a discrepancias significativas entre los módulos de esfuerzo total y de esfuerzo efectivo, siendo la magnitud del error dependiente de la ubicación de la medición de presión de poros utilizada para el cálculo.
Si bien las curvas de degradación de los módulos de Young secantes pueden establecerse tanto para esfuerzos totales como efectivos utilizando modelos analíticos (como el de González y Romo, 2011), la elección de los datos de presión de poros (base vs. parte superior vs. promedio) altera fundamentalmente los parámetros de esfuerzo efectivo resultantes.

Los autores afirman que estos hallazgos son particularmente relevantes para el análisis sísmico en la Ciudad de México, donde el rango de frecuencia probado (0.5–2.0 Hz) es representativo de las características sísmicas locales. La investigación proporciona una base más rigurosa para la interpretación del comportamiento dinámico del suelo al resaltar la necesidad de un monitoreo de presión de poros en múltiples puntos para resolver las incertidumbres inherentes a los cálculos de esfuerzo efectivo en arcillas de baja permeabilidad.

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