Caracterización y comportamiento del módulo de elasticidad dinámico de loess en estado natural y compactado

Abstract

El loess es un suelo de origen eólico que ocupa grandes áreas dentro de todo el mundo y del territorio argentino. En su estado natural, se caracteriza por presentar una estructura abierta formada por granos de arena fina y limo conectados por puentes de arcilla, en la cual existen presiones capilares, precipitados de sales solubles y carbonatos de calcio que actúan como vínculos adherentes entre las partículas. La principal característica de este suelo es su capacidad de sufrir grandes asentamientos por colapso cuando es cargado y / o humedecido. Por este motivo, es una práctica común mejorar su comportamiento por medio de diferentes técnicas, entre las que se destaca la compactación. El módulo de elasticidad dinámico es un parámetro esencial a la hora de predecir el comportamiento de los suelos frente a acciones de tipo cíclicas, como ser los sismos o las vibraciones producidas por cargas dinámicas tales como el tránsito y máquinas. A su vez, la medición del módulo mediante técnicas no destructivas como la velocidad de propagación de ondas, constituye una herramienta de gran importancia para los estudios geofísicos y el monitoreo de geoprocesos. El módulo de corte de los suelos se ve afectado por gran cantidad de variables, motivo por el cual pueden medirse módulos que difieran hasta un orden de magnitud en una misma muestra de suelo pero en diferentes condiciones de ensayo. En esta Tesis se presenta un estudio del módulo de corte dinámico de muestras de loess de la provincia de Córdoba, tanto en estado natural como compactado. El estudio se sustenta en mediciones realizadas en tres dispositivos de ensayo diferentes: un edómetro y una celda isotrópica modificados para poder medir velocidad de propagación de ondas durante las pruebas y una columna resonante del tipo fija libre. Se presentan además, mediciones del módulo cuasiestático (a frecuencias inferiores a 1 Hz) por medio de ensayos de torsión estática cíclica realizados en la columna resonante. Los resultados obtenidos permiten analizar la influencia que variables tales como la presión aplicada, el contenido de humedad, la amplitud de deformación, el número de ciclos y la frecuencia de carga, ejercen en el módulo de corte del loess ensayado. En loess inalterado, se relaciona la compresibilidad y el colapso a macroescala con la rigidez dinámica y la estructura a microescala del suelo. A partir de esta relación, es posible explicar el desarrollo del fenómeno de colapso a microescala (a nivel de contacto entre partículas). Se analizan en forma comparativa mediciones en muestras de loess inalterado y remoldeado con igual densidad y humedad, en tanto que se discute brevemente el efecto de la alteración sufrida por las muestras durante su extracción. Se observa que tanto en loess natural como compactado, la velocidad de onda o su equivalente el módulo máximo, crecen con la presión de confinamiento y decrecen con el contenido de humedad. El crecimiento de la velocidad de onda al aumentar el confinamiento varía con la compresibilidad de las muestras. En loess inalterado, se correlaciona la presión de colapso con un pico manifestado por la velocidad de ondas de corte. En loess remoldeado este pico no se percibe atribuyéndose tal situación a la pérdida de la estructura original del suelo. En el loess compactado con la energía del ensayo Proctor Estándar, se observa que la velocidad de ondas S o su equivalente el módulo de corte máximo, está gobernada por una compleja combinación de cuatro variables fundamentales: presión de confinamiento, estructura interna, contenido de humedad (o succión) y densidad de compactación. El efecto de la estructura interna en la velocidad de onda de muestras compactadas a la misma densidad pero en diferentes ramas de la curva de compactación, no resulta significativo. Sin embargo, el efecto de la estructura aumenta en importancia al crecer la presión de confinamiento, ya que las muestras compactadas en la rama húmeda resultan más compresibles que las compactadas en la rama seca, y por lo tanto, la velocidad de crecimiento de la velocidad de onda con el confinamiento resulta más elevada. El grado de saturación desempeña un rol preponderante en el módulo máximo en todos los casos. Al agregar agua al suelo, la velocidad de onda decrece. En loess compactado, la variación de la velocidad de onda con la presión de confinamiento se aproxima con un modelo potencial al que se le incorporó un término independiente que considera la velocidad cuando el confinamiento es nulo. Se trazan tendencias generales para la variación de la velocidad de onda con la presión de confinamiento, tanto en loess natural como compactado. Por medio de ensayos de columna resonante, se determina la degradación del módulo de corte con el nivel de deformación sufrida por muestras de loess inalterado, para deformaciones que varían entre 10-6 y 10-3 . La misma resulta ser dependiente de la presión de confinamiento y prácticamente independiente del contenido de humedad. Tendencias similares muestra el límite elástico del material. No se observa influencia del número de ciclos, ni de la frecuencia de carga en el módulo para los niveles de deformación alcanzados. Los valores de los módulos dinámicos y estáticos no presentan diferencias notables entre ellos. La variación del módulo con la deformación es definida por medio de un modelo hiperbólico en términos de la presión de confinamiento. Este modelo permite determinar el módulo de corte del loess ensayado para deformaciones que varíen entre 10-6 y 10-3 a cualquier contenido de humedad y presión de confinamiento si se conoce el módulo máximo. La relación de Poisson en loess compactado se evalúa en la celda isotrópica modificada y en loess natural, en la columna resonante por medio de análisis multimodal. El coeficiente de Poisson resulta independiente de la presión de confinamiento y del contenido de humedad. Se discute la validez de la técnica de análisis multimodal. Finalmente, se presentan mediciones de amortiguamiento viscoso en muestras de loess inalterado. Los resultados obtenidos indican que el amortiguamiento crece con el nivel de deformación y el contenido de humedad y decrece con la presión de confinamiento. El presente trabajo proporciona una caracterización del módulo de elasticidad dinámico de muestras de loess natural y compactado. Queda para estudios posteriores, extender el presente trabajo a rangos de deformación más elevados. Asimismo, la medición de la succión durante las pruebas permitiría analizar la influencia de la misma en términos cuantitativos e incluso modelar el comportamiento teniendo en cuento su efecto.