Fricción residual de juntas. Efecto de la velocidad de corte.

TRABAJO FINAL DE MÁSTER TÍTULO AUTOR TUTOR ESPECIALIDAD FECHA FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE. MÁSTER EN INGENIERÍA DEL TERRENO E INGENIERÍA SÍSMICA EDUARDO ALONSO PÉREZ DE ÁGREDA ENRIQUE ROMERO MORALES SEPTIEMBRE, 2014 RICHARD N. ALMONTE CASTILLO FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 2 FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 3 Índice Resumen ............................................................................................................................................. 5 Lista de figuras .................................................................................................................................. 6 Lista de ecuaciones ............................................................................................................................ 8 Lista de tablas .................................................................................................................................... 9 Introducción ..................................................................................................................................... 10 Motivación del estudio ................................................................................................................ 10 Objetivos del estudio ................................................................................................................... 11 Metodología de ensayos .................................................................................................................. 13 Influencia de la velocidad ........................................................................................................... 16 a) Corte a velocidad variable y periodo de reposo corto. ................................................. 16 b) Corte a velocidad variable y periodo de reposo alto. ................................................... 16 Influencia del periodo de reposo ................................................................................................ 16 a) Corte a velocidad constante y periodo de reposo medio. ............................................. 16 b) Corte a velocidad constante y periodo de reposo alto. ................................................. 16 Material de Estudio ......................................................................................................................... 18 Boom Clay .................................................................................................................................... 18 Arcilla y su Estructura. ............................................................................................................... 20 Estado del arte ................................................................................................................................. 21 Resistencia al corte en la reactivación de deslizamientos ........................................................ 21 Casos de reactivación de deslizamientos ................................................................................... 25 Deslizamiento de Les Tarteres ............................................................................................... 25 Deslizamiento de L´Aldosa ..................................................................................................... 28 Resultados experimentales ............................................................................................................. 33 Influencia de la velocidad de corte ............................................................................................. 34 Corte a velocidad variable y periodo de reposo corto. ......................................................... 34 FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 4 Corte a velocidad variable y periodo de reposo alto. ........................................................... 35 Influencia de los tiempos de reposo ........................................................................................... 36 Corte a velocidad constante y periodo de reposo medio. ..................................................... 36 Corte a velocidad constante y periodo de reposo alto. ......................................................... 43 Interpretación resultados experimentales ..................................................................................... 49 Influencia de la velocidad de corte ............................................................................................ 49 Influencia del tiempo de reposo (Resting Time) ....................................................................... 52 Comparación con estudios previos ............................................................................................ 56 Comparación de incremento de resistencia. (Influencia de velocidad de corte y tiempo de reposo) .......................................................................................................................................... 57 Conclusiones y líneas futuras ......................................................................................................... 59 Referencias ....................................................................................................................................... 62 FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 5 Resumen Esta investigación plantea el estudio del comportamiento a corte de la Boom Clay en un estado saturado desde una perspectiva que intenta simular un movimiento de ladera real. La Boom Clay es una formación geológica típica del municipio de Boom localizado en Flandes, una de las tres regiones de Bélgica. Los especímenes son extraídos de la corteza y posteriormente enviados al laboratorio para su análisis. El estudio experimental se centra en muestras remoldeadas sometidas a corte a distintas velocidades con el fin de evaluar que influencia tienen en la resistencia residual de las mismas. Por otra parte se pretende analizar el efecto de los tiempos de reposo (τ = 0) y reactivación de los desplazamientos a lo largo de superficies de deslizamiento, los cuales podrían ser favorables y generar una posible cicatrización del suelo aumentando su resistencia. Los experimentos se realizaran en el equipo de corte anular tratando de imponer y mantener las condiciones óptimas de humedad y altura efectiva de la muestra. Los resultados obtenidos serán analizados y comparados con estudios de laboratorio previos sobre la Boom Clay y otras arcillas. Los resultados de esta investigación confirman que el envejecimiento puede causar un aumento de la resistencia al corte reactivado por encima del valor residual, dependiendo directamente del tiempo de reposo e inversamente a la tensión vertical. El reposo con períodos cortos de dos horas dieron lugar a incrementos de alrededor de un 4% de la resistencia residual disponible, llevando el ángulo de fricción residual de 7.5º a 7.7º. Este aumento no es tan significativo como los obtenidos con periodos altos de reposo (mayores de 24 horas), que dieron lugar a aumentos de resistencia residual del hasta 50%, llevando así el ángulo de fricción hasta un valor de 11º. En cuanto a la influencia de la velocidad de corte en la resistencia residual de la Boom Clay, dio como resultado una proporcionalidad inversa entre la velocidad con que se aplican los desplazamientos de cizalladora y la resistencia residual disponible. Al aplicar desplazamientos a una velocidad de 0.1 mm/min se obtiene un ángulo de fricción de alrededor de 12º, en cambio al aumentar la velocidad de corte la resistencia baja considerablemente y se observa que el ángulo de fricción disminuye hasta un valor de 8º. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 6 Lista de figuras Figura 1. Proceso de preparación de la muestra de Boom Clay. ...................................................... 13 Figura 2. Amasado y colocación de muestra remoldeada de Boom Clay. ....................................... 13 Figura 3. Fotografía del equipo de corte anular Bromhead. ............................................................. 14 Figura 4. Plato para aplicación de tensión normal con 8 kg............................................................. 14 Figura 5. Esquema del procedimiento de los ensayos. ..................................................................... 17 Figura 6. Fotografía de la Boom Clay antes y después de humedecer. ............................................ 18 Figura 7. Clasificación de la Boom Clay según gráfico de plasticidad de Casagrande. .................. 19 Figura 8. Curva granulométrica de la arcilla Boom. ......................................................................... 19 Figura 9. Fotografía de proceso de saturación del suelo. Imagen representativa de microestructura de la Boom Clay. ............................................................................................................................... 20 Figura 10. Cicatriz superior del deslizamiento de Les Tarteres. ...................................................... 26 Figura 11. Sección transversal del deslizamiento de Les Tarteres, Andorra. .................................. 26 Figura 12. Historia de la apertura de la cicatriz superior. Deslizamiento de Les Tarteres. .............. 27 Figura 13. Correlación entre la apertura de la cicatriz superior y el nivel piezométrico. ................ 28 Figura 14. Sección transversal del deslizamiento de L´Aldosa........................................................ 29 Figura 15. Ensayos de corte sobre muestras reconstruidas del deslizamiento de L´Aldosa. a) Ensayo de corte directo. b) Ensayos de corte anular. ........................................................................ 30 Figura 16.Granulometría de una muestra del deslizamiento de L´Aldosa. ...................................... 31 Figura 17. Deslizamientos en depósitos densos de grava, arena y arcilla (piedemonte). Síntesis de resultados........................................................................................................................................... 32 Figura 18. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S1. ..................................... 34 Figura 19. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S2. ..................................... 35 Figura 20. Curva de variación de altura de la muestra S2 en función del desplazamiento H. ......... 36 Figura 21. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S3. ..................................... 36 Figura 22. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S3. ................................................ 37 Figura 23. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S3. ........................................................................................................................................................... 37 Figura 24. Curva de variación de altura de la muestra S3 en función del desplazamiento H. ......... 38 Figura 25. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S4. ..................................... 38 Figura 26. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S4. ................................................ 39 FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 7 Figura 27. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S4. ........................................................................................................................................................... 39 Figura 28. Curva de variación de altura de la muestra S4 en función del desplazamiento H. ......... 40 Figura 29. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S5. ..................................... 40 Figura 30. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S5. ................................................ 41 Figura 31. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S5 (1er Reposo). ..................................................................................................................................... 41 Figura 32. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S5 (2do Reposo). .................................................................................................................................... 42 Figura 33. Curva de variación de altura de la muestra S5 en función del desplazamiento H. ......... 42 Figura 34. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S6. ..................................... 43 Figura 35. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S6. ................................................ 43 Figura 36. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S6. ........................................................................................................................................................... 44 Figura 37. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S7. ..................................... 44 Figura 38.Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S7. ................................................. 45 Figura 39. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S7. ........................................................................................................................................................... 45 Figura 40. Curva de variación de altura de la muestra S7 en función del desplazamiento H. ......... 46 Figura 41. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S8. ..................................... 46 Figura 42. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S8. ................................................ 47 Figura 43. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S8. ........................................................................................................................................................... 47 Figura 44. Curva de variación de altura de la muestra S8 en función del desplazamiento H. ......... 48 Figura 45. Resultados de la resistencia residual en función de la velocidad de corte de las muestras S2, S6, S7, S8. ................................................................................................................................... 50 Figura 46. Resultados de la resistencia residual en función de la velocidad de corte de las muestras S1, S2. ............................................................................................................................................... 51 Figura 47. Influencia del tiempo de reposo de 2hrs en la resistencia residual para las muestra S3, S4 y S5. ............................................................................................................................................. 53 Figura 48. Influencia del tiempo de reposo de 24hrs en la resistencia residual para las muestra S6, S7 y S8. ............................................................................................................................................. 54 FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 8 Figura 49. Influencia de la velocidad de corte en la resistencia residual para las muestras S6, S7 y S8. ..................................................................................................................................................... 55 Figura 50. Influencia de la velocidad de corte en la resistencia residual para las muestras S1 - S8. 56 Figura 51. Influencia de la velocidad de corte en la resistencia residual. Comparación con estudios anteriores. .......................................................................................................................................... 56 Figura 52. Comparación de incremento de resistencia. ................................................................... 57 Figura 53. Resultados de la influencia del Tiempo de Reposo en el Ángulo de Fricción Residual. 59 Figura 54. Tendencia del Ángulo de Fricción Residual en función de la Velocidad de Corte. ....... 60 Figura 55. Resultados de la influencia de la velocidad de corte y la tensión normal en el Ángulo de Fricción Residual. ............................................................................................................................. 61 Lista de ecuaciones Ecuación 1. Ecuación de Tensión tangencial media. ....................................................................... 15 Ecuación 2. Ecuación de porcentaje de incremento de resistencia. .................................................. 37 FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 9 Lista de tablas Tabla 1. Periodos de reposo y velocidades de corte utilizadas en los ensayos. ................................ 16 Tabla 2. Procedimiento y condiciones de ensayo para las muestras remoldeadas de Boom Clay. .. 17 Tabla 3. Características y clasificación de la Boom Clay. ........................................................... 18 Tabla 4. Propiedades y parámetros de la Boom Clay. ...................................................................... 33 Tabla 5. Condiciones de ensayo para las muestras remoldeadas de Boom Clay. ............................. 33 Tabla 6. Relación de tensiones y ángulo de fricción obtenidos de la muestra S1 de Boom Clay. ... 34 Tabla 7. Relación de tensiones y ángulo de fricción obtenidos de la muestra S2 de Boom Clay. ... 35 Tabla 8. Incremento de resistencia para reposo de 2hrs en muestra S3. .......................................... 37 Tabla 9. Incremento de resistencia para reposo de 2hrs en muestra S4. .......................................... 39 Tabla 10. Incremento de resistencia para reposo de 2hrs en muestra S5. ........................................ 41 Tabla 11. Incremento de resistencia para reposo de 33hrs en muestra S6. ...................................... 43 Tabla 12. Incremento de resistencia para reposo de 68hrs en muestra S7. ...................................... 45 Tabla 13. Incremento de resistencia para reposo de 20hrs en muestra S8. ...................................... 47 Tabla 14. Resultados de la resistencia residual a distintas velocidades para la muestra S1. ............ 49 Tabla 15. Resultados de la resistencia residual a distintas velocidades para la muestra S2. ............ 50 Tabla 16. Resultados de la influencia del tiempo de reposo de 2hrs en la resistencia residual para las muestra S3, S4 y S5. .................................................................................................................... 52 Tabla 17. Resultados de la influencia del tiempo de reposo de 24hrs en la resistencia residual para las muestra S6, S7 y S8. .................................................................................................................... 54 Tabla 18. Resultados de resistencia residual con velocidad de corte de 0.1 mm/min. ..................... 57 Tabla 19. Resultados de resistencia residual con velocidad de corte de 1 mm/min. ........................ 57 Tabla 20. Resultados de resistencia residual con velocidad de corte de 45 mm/min. ...................... 57 Tabla 21. Resultados de resistencia residual para periodos de reposo de 2 horas. ........................... 58 Tabla 22. Resultados de resistencia residual para periodos de reposo de 20 horas. ......................... 58 FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 16 Influencia de la velocidad Para evaluar la influencia de la velocidad se realizaran ensayos de Corte Anular con velocidad de corte variable y periodos alternos de reposo (Resting Time). a) Corte a velocidad variable y periodo de reposo corto. - Tres etapas de corte a velocidades de 0.1, 1 y 45 mm/min con reposos de 10min alternos a cada velocidad. b) Corte a velocidad variable y periodo de reposo alto. - Tres etapas de corte a velocidades de 0.1, 1 y 45 mm/min con reposos de 24 hrs alternos a cada velocidad. El tiempo de aplicación de carga torsional se definirá en función de cada velocidad de corte hasta alcanzar desplazamientos del orden de 130 mm. Una vez alcanzado el desplazamiento se deja reposar el tiempo correspondiente. Influencia del periodo de reposo Para evaluar la influencia del periodo de reposo (Resting Time) se realizaran ensayos de Corte Anular con velocidad de corte constante y distintos periodos de reposo. a) Corte a velocidad constante y periodo de reposo medio.  Dos etapas de corte a velocidad de 0.1 mm/min con reposo de 2hrs entre ellas.  Dos etapas de corte a velocidad de 1 mm/min con reposo de 2hrs entre ellas.  Tres etapas de corte a velocidad de 45 mm/min con reposo de 2hrs y 17hrs entre ellas. b) Corte a velocidad constante y periodo de reposo alto.  Dos etapas de corte a velocidad de 0.1 mm/min con reposo de 33hrs entre ellas.  Dos etapas de corte a velocidad de 1 mm/min con reposo de 68hrs entre ellas.  Dos etapas de corte a velocidad de 45 mm/min con reposo de 20hrs entre ellas. Tabla 1. Periodos de reposo y velocidades de corte utilizadas en los ensayos. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 17 Tabla 2. Procedimiento y condiciones de ensayo para las muestras remoldeadas de Boom Clay. Figura 5. Esquema del procedimiento de los ensayos. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 18 Material de Estudio Boom Clay El suelo utilizado en la investigación es un polvo artificialmente preparado de la Boom Clay natural procedente de Bélgica. Muchas investigaciones se han realizado sobre las características geotécnicas de arcilla Boom (Romero E. , 1999) (Bernier, 1997) (Merchán, 2011) debido a su uso propuesto como un medio de acogida para la eliminación geológica de residuos radiactivos. Por esta razón extensa caracterización e información completa está disponible en este material en los estados no saturados, por lo que fue elegido para la investigación. Arcilla Boom es una formación terciaria que es la unidad arcillosa más joven de una secuencia de arcillas marinas y arenas depositadas durante el Oligoceno Medio en la provincia sedimentaria del norte de Europa. Es una arcilla plasticidad media con una composición de caolinita / ilita (50%), esmectita (5%) y cuarzo y feldespatos (30-40%). El límite líquido es wl = 55 ± 2%, límite plástico wp = 28 ± 2% y la densidad de las partículas sólidas es Gs = 2.70 Mg / m3 (Romero E. , 1999). Según el gráfico de plasticidad de Casagrande, recibe la nomenclatura CH. Los ensayos en el laboratorio muestran los siguientes resultados: Tabla 3. Características y clasificación de la Boom Clay. Figura 6. Fotografía de la Boom Clay antes y después de humedecer. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 19 Figura 8. Curva granulométrica de la arcilla Boom. Figura 7 y Figura 8 de estudios realizados por (Puy, 2005). Figura 7. Clasificación de la Boom Clay según gráfico de plasticidad de Casagrande. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 20 Arcilla y su Estructura. La estructura de la arcilla juega un papel importante en el comportamiento mecánico, tales como la resistencia al corte y fuerza de tracción. La arcilla está definida como un material natural compuesto principalmente de minerales de grano fino, que es generalmente plástico en contenidos de agua apropiados (Guggenheim, 1995). Los minerales de arcilla son silicatos hidratados o silicatos de aluminio y pueden definirse como aquellos minerales que componen predominantemente la fracción coloidal de suelos, sedimentos, rocas y aguas. Las arcillas se componen de una mezcla heterogénea de minerales finamente divididos, tales como cuarzo, feldespatos, calcita, etc (Luckham, 1999). Estos materiales de grano fino varían desde partículas de minerales de arcilla que tienen una estructura cristalina formada a partir de una pila de capas intercaladas con capas intermedias de los agregados formados a partir de partículas minerales que varían en tamaño dependiendo del contenido de agua. La agregación se describe por la asociación cara a cara (FF), y se refiere al colapso de las capas dobles difusas y la formación de agregados de plaquetas paralelas espaciadas 20 Å o de menos separación (Luckham, 1999). A contenidos altos de agua se forman grandes agregados, por otra lado se ha observado que en contenidos muy bajos de agua (w <10%) el tamaño de agregado no difiere mucho de agregados formados en el contenido higroscópico de agua. Figura 9. Fotografía de proceso de saturación del suelo. Imagen representativa de microestructura de la Boom Clay. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 21 Estado del arte Resistencia al corte en la reactivación de deslizamientos Las reactivaciones de deslizamientos de tierra pueden ocurrir de forma continua o de manera ocasional. Estos movimientos podemos clasificarlos de dos maneras, el primero como "Deslizamiento de tierra activo," y el segundo como "Deslizamiento de tierra reactivada" (Leroueil, 2001). En los deslizamientos de tierra activos incluyen movimientos con bajas tasas de desplazamiento, principalmente de traslación, en el que las fuerzas motrices no cambian significativamente con el tiempo. En cambio los deslizamientos de tierra reactivados pueden producir inicialmente desplazamientos rápidos y de forma súbita, debido a un claro cambio de tensión efectiva. Más tarde se estabilizan, dando lugar a un nuevo ciclo de quiescencia. Estos deslizamientos de tierra pueden tener algunas modificaciones de la fuerza disponible durante la quiescencia. La hipótesis de que la fuerza disponible a lo largo de una superficie de deslizamiento preexistente aumenta durante el envejecimiento todavía no está claro y dentro de la literatura geotécnica podemos ver diferentes opiniones. Por ejemplo (Fenelli, 1986) encontraron que la fuerza de movilizado del deslizamiento de tierra en Valva (Italia) y la resistencia residual medida en muestras remoldeadas en el laboratorio fueron similares. (Leroueil, 2003) piensa que la fuerza de movilizado en la reactivación es igual a los valores residuales, y no se espera un comportamiento frágil. Otros resultados, obtenidos por (Chandler, 1984) y (Skempton, 1985) para la arcilla de Londres, indican que la fuerza de movilizado en la reactivación de un deslizamiento es siempre mayor que el valor residual medido en muestras remoldeadas en el laboratorio. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 22 Otra prueba in situ de ganancia de resistencia por encima del valor residual a lo largo de superficies de deslizamiento preexistente fue observado por (D’Appolonia, 1967) en el deslizamiento de tierra cerca de Weirton (West Virginia-Ohio River Valley) ocurrido en suelos coluviales. (Stark, 2005) también reveló efectos similares en el deslizamiento de suelos coluviales cohesivos reactivado en 1990 cerca de Seattle (Washington). En ambos casos, la fuerza reactivación in situ fue mayor que el valor obtenido en laboratorio. Para explicar este fenómeno, (D’Appolonia, 1967) lo atribuye a un efecto de auto-sanación de resistencia al corte. Sin embargo, existen algunas razones que explican la posible diferencia entre la fuerza in situ obtenida por un Back Analysis y la fuerza de laboratorio. El primer grupo de explicaciones se refiere a los aspectos analíticos, tales como la Efecto 3D y el modelo numérico utilizado; el segundo grupo se refiere predicción de fuerza y evaluacion, tal como la condición de la superficie de cizalladura in situ, efecto de escala, representatividad de la muestra, condiciones de ensayo de laboratorio, y limitaciones. Por ejemplo, (Urciuoli, 1997) hace hincapié en el importante papel desempeñado por las ondulaciones de la superficie de deslizamiento, que no se representan en las pequeñas escalas de las pruebas de laboratorio. Además de los efectos relacionados con aparatos de cizallamiento (Bellino, 1985), también la velocidad de desplazamiento puede ser significativa en la resistencia residual de reactivación, debido a las propiedades viscosas de suelos arcillosos (Skempton, 1985); (Leroueil, 2001); (Leroueil, 2003). Este efecto se consideró insignificante sólo para velocidades de desplazamiento inferiores de 1 mm/min, como en este caso las variaciones de resistencia residual puede ser de aproximadamente ± 5% con respecto a la resistencia residual lenta obtenida con velocidades de desplazamiento en el intervalo 0.01-0.025 mm/min (Tika, 1996). El Back Analysis por tanto, debe tener en cuenta la tasa de desplazamiento con la cual los deslizamientos repentinos pueden reactivarse. El agua en los poros debe mantener la concentración salina inicial porque, como (Leroueil, 2001) sugiere, el uso de agua destilada puede causar variación considerable en la resistencia residual (Kenney, 1977); (Di Maio, 1994). FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 23 Fenómenos que intervienen en el envejecimiento del suelo Los suelos con envejecimiento pasan por muchos procesos físicos y químicos relacionados al tiempo transcurrido y a las modificaciones del medio ambiente; estos fenómenos los podemos dividir en los siguientes temas: fluencia y endurecimiento tixotrópico, unión, recristalización, lixiviación y erosión. Estos procesos, que afectan a los bonos estructurales entre las partículas sólidas, dan lugar a una configuración más estable para el esqueleto sólido con el tiempo, en consecuencia, concurrir al aumento de la fuerza residual reactivado: Endurecimiento de fluencia se refiere a una deformación bajo una tensión efectiva constante, particularmente evidente en suelos cohesivos. Puede ser asociada a estados de tensiones normales y tangenciales que causan deformaciones volumétricas y de fluencia desviadora, respectivamente. Aunque fluencia volumétrica conduce a una configuración más estable de la estructura del suelo, la fluencia desviadora físicamente puede interpretarse como un aumento o reducción del número de enlaces relacionados con la presencia de deformación por esfuerzo cortante. La fluencia primaria ocurre cuando endurecimiento estructural prevalece; fluencia terciaria prevalece durante debilitamiento estructural, y la fluencia secundaria se produce cuando los efectos anteriores autocompensan. El proceso de fluencia depende en la naturaleza del suelo y en el nivel de estrés, la historia estrés, tiempo y temperatura. La tixotropía se define como un dependiente del tiempo, proceso isotérmico reversible, y se produce en condiciones de composición y volumen constante. Como resultado, un material tiende a ser más rígido en el estado no perturbado y más suave si esta remoldeado. El mecanismo de endurecimiento tixotrópico (Mitchell J. K., 1960); (Mitchell J. K., 2005) puede ser explicado en términos de equilibrio de partículas fuerzas, de modo que cuando un suelo tixotrópico se somete a deformación, la estructura es desfloculada para equilibrar los niveles de energía involucrados. Cuando una fuente externa de energía cesa, la desfloculada estructura no está en equilibrio: Si las fuerzas de atracción entre las partículas son mayores que las de repulsión, habrá una tendencia a agregarse en grupos, y será alcanzada una estructura floculada. Este nuevo tejido ofrece mayor resistencia que una estructura dispersa. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 24 Al mismo tiempo, el agua adsorbida y cationes tienden a reorganizarse, como consecuencia de una menor los niveles de energía. El proceso depende del tiempo, como consecuencia de la resistencia viscosa al movimiento de iones y las partículas de arcilla. Los suelos contienen carbonato, óxidos de hierro y aluminio, y materia orgánica que puede precipitar, dando lugar a la cementación de los contactos de partículas. La precipitación tiene lugar en condiciones de sobresaturación, debido a un mayor número de iones o la reducción del contenido de agua. Los vínculos establecidos durante la cementación se pueden romper por las variaciones de tensión, esto si se produce un deslizamiento relativo entre las partículas, y la fuerza disminuye. Cuando el proceso externo cesa, la cementación puede empezar de nuevo. El principal efecto de la cementación es conferir a la fragilidad de los suelos (sensibilidad) y una presión de preconsolidación aparente (Sangrey, 1970). Durante la perturbación, la orientación de las moléculas de agua adsorbidas se modifica, y los lazos estructurales reducen. Una gradual orientación de las moléculas de agua se hace posible durante el reposo, con el consiguiente aumento de la fuerza. Este proceso se denomina recristalización (Grim, 1962), y también puede ocurrir en agua reducida contenido. La meteorización implica cualquier fenómeno físico y químico en el que el agua y el aire actúan como disolventes y oxidantes, respectivamente, dando lugar a una variación en la mineralogía y la distribución del tamaño de los granos como consecuencia de la eliminación de la segregación. Pueden ocurrir algunas variaciones en la naturaleza y proporción de los iones disueltos y modificar la tendencia de la estructura del suelo a agregarse en un estado floculado o dispersado. (Moum, 1971); (Taylor, 1987). Elementos solubles pueden migrar dentro de la masa de agua del suelo durante circulación. Este proceso, conocido como lixiviación, puede implicar también la capacidad de intercambio iónico de los minerales de arcilla, causando marcada variaciones de las fuerzas de interacción entre las partículas. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 25 Casos de reactivación de deslizamientos A continuación un ejemplo de reactivación de un deslizamiento en el cual la resistencia disponible obtenida mediante un Back-Analysis es mayor a la resistencia residual de laboratorio en muestras remoldeadas ensayadas en un equipo de corte anular. (Alonso E. E., 2007). Deslizamiento de Les Tarteres Es un deslizamiento antiguo, en la margen izquierda del rio Valira, Andorra, fue reactivado por una excavación relativamente pequeña en su pie con el fin de construir una estación de servicio. Los límites superiores del deslizamiento resultaban evidentes a partir de la observación del escarpe perimetral superior (Figura 10). Los flancos laterales del deslizamiento corresponden a dos barrancos intermitentes. El deslizamiento ocupa un área rectangular de 250 m de largo por 125 m de ancho en planta. El deslizamiento se estudió a través de ocho sondeos, 25 hitos topográficos y extensómetros de superficie, con objeto de medir la apertura de grietas. La Figura 11 muestra uno de los dos perfiles longitudinales que pudieron obtenerse durante el análisis del deslizamiento. La masa en movimiento es un coluvión heterogéneo denso de arena arcillosa con gravas y pizarras diseminadas. El porcentaje de partículas finas y gruesas varía mucho. En algunas zonas, la parte inferior de este coluvión es rica en arcilla con un pequeño porcentaje de gravas, mientras que en otras, predominan las gravas en una matriz arenosa. Las muestras recuperadas se clasifican en general como arcillas arenosas de baja plasticidad (SC). El límite líquido oscila en el rango 21 – 31% y el índice de plasticidad entre el 6% y el 3%. Las humedades permanecen por debajo del índice plástico. Este coluvión heterogéneo tiene un espesor medio de 25 m y descansa sobre un nivel de pizarra fracturada. Uno de los sondeos detectó presiones artesianas dentro de la roca, pero los piezómetros instalados observaron niveles de agua dentro del coluvión, como muestra la Figura 11. La historia de desplazamientos del talud, medida mediante extensómetros colocados a ambos lados del escarpe superior, se indica en la Figura 12 para un periodo de 20 meses. Los incrementos en la velocidad de desplazamiento se asociaron al régimen de lluvias y a las variaciones en el nivel freático, aunque la dispersión era grande. La Figura 13 muestra una relación entre las velocidades de desplazamientos en la parte superior del talud y el FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 32 Este talud se estabilizo mediante dos muros de contención anclados en la roca utilizando anclajes de alta capacidad colocados contra las caras de los desmontes que inicialmente habían conducido a la inestabilidad. Figura 17. Deslizamientos en depósitos densos de grava, arena y arcilla (piedemonte). Síntesis de resultados. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 33 Resultados experimentales La prueba se realizó sobre muestras preparadas a un contenido humedad específico, con un valor poco mayor al límite plástico del material (Boom Clay / wp = 27%). La muestra durante todo el ensayo se sometió a una tensión normal constante. Luego de una etapa de consolidación de 24 hrs se sumergió totalmente la muestra para mantener un estado total de saturación. Terminado este proceso se iniciaron las etapas de corte correspondientes a los diferentes casos de estudio. A continuación se encuentran los resultados de estudios anteriores y los obtenidos en esta investigación. MUESTRAS REMOLDEADAS DE BOOM CLAY Muestra Contenido de Humedad (%) Tensión normal σn (kPa) Velocidad de corte (mm/min) Tiempos de reposo (Resting Time) v1 v2 v3 t1 t2 S1 36.66 300 0.1 1 45 10 min 10 min S2 41.26 200 0.1 1 45 24 hrs 24 hrs S3 34.96 200 0.1 0.1 - 2 hrs - S4 34.27 200 1 1 - 2 hrs 2 hrs S5 38.28 200 45 45 45 2 hrs 17 hrs S6 41.01 200 0.1 0.1 - 33 hrs - S7 40.41 200 1 1 - 68 hrs - S8 42.07 200 45 45 - 20 hrs - Tabla 5. Condiciones de ensayo para las muestras remoldeadas de Boom Clay. Tabla 4. Propiedades y parámetros de la Boom Clay. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 34 Influencia de la velocidad de corte Corte a velocidad variable y periodo de reposo corto. Muestra S1: Tres etapas de corte a velocidades de 0.1, 1 y 45 mm/min con reposos de 10min alternos a cada velocidad. No existe una variación significativa en la resistencia residual al reactivar el desplazamiento de corte con una velocidad de 1 mm/min luego de un reposo de 10 min, en cambio al reactivarse a 45 mm/min esta disminuye considerablemente. Figura 18. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S1. Tabla 6. Relación de tensiones y ángulo de fricción obtenidos de la muestra S1 de Boom Clay. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 35 Corte a velocidad variable y periodo de reposo alto. Muestra S2: Tres etapas de corte a velocidades de 0.1, 1 y 45 mm/min con reposos de 24 hrs alternos a cada velocidad. Existe una disminución considerable en la resistencia residual a medida que se aumenta progresivamente la velocidad de desplazamientos de corte luego de periodos de reposo de 24 horas. Mostrando así una proporcionalidad inversa entra la velocidad de corte y la resistencia residual. Figura 19. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S2. Tabla 7. Relación de tensiones y ángulo de fricción obtenidos de la muestra S2 de Boom Clay. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 36 Influencia de los tiempos de reposo Corte a velocidad constante y periodo de reposo medio. Muestra S3: Dos etapas de corte a velocidad de 0.1 mm/min con reposo de 2hrs entre ellas. Figura 20. Curva de variación de altura de la muestra S2 en función del desplazamiento H. Figura 21. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S3. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 37 Figura 22. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S3. Ecuación 2. Ecuación de porcentaje de incremento de resistencia. Tabla 8. Incremento de resistencia para reposo de 2hrs en muestra S3. Figura 23. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S3. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 38 Muestra S4: Dos etapas de corte a velocidad de 1 mm/min con reposo de 2hrs entre ellas. Figura 24. Curva de variación de altura de la muestra S3 en función del desplazamiento H. Figura 25. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S4. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 39 Figura 26. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S4. Tabla 9. Incremento de resistencia para reposo de 2hrs en muestra S4. Figura 27. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S4. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 40 Muestra S5: Tres etapas de corte a velocidad de 45 mm/min con reposo de 2hrs y 17hrs entre ellas. Figura 28. Curva de variación de altura de la muestra S4 en función del desplazamiento H. Figura 29. Curva Tensión de corte – Desplazamiento H. para muestra S5. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 41 Figura 30. Pausa y reactivación de tensión de corte en muestra S5. Tabla 10. Incremento de resistencia para reposo de 2hrs en muestra S5. Figura 31. Curva de relajación de esfuerzos. Tensión de corte – Tiempo de reposo para muestra S5 (1er Reposo). FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 48 Figura 44. Curva de variación de altura de la muestra S8 en función del desplazamiento H. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 49 Interpretación resultados experimentales Influencia de la velocidad de corte Considerando la Figura 18, los resultados del ensayo realizado sobre la muestra S1 bajo una tensión normal de 300 kPa muestran que la primera etapa correspondiente a la velocidad de corte de 0.1 mm/min determinan la resistencia residual a desplazamientos lentos. Luego de un desplazamiento de 50 mm hasta alcanzar los 120 mm, se observa un pequeño incremento progresivo de la resistencia el cual se le atribuye a un efecto de succión por perdida de humedad de la muestra. Luego de la primera parada de reposo de 10 min, se reactiva el corte con una velocidad de 1 mm/min y no se aprecia ninguna diferencia en la resistencia residual con relación al valor observado antes de la pausa. En cambio luego una segunda parada de reposo y reactivarse el corte con una velocidad mucho mayor de 45 mm/min, vemos una disminución significativa en la resistencia residual. Debido a este resultado podríamos pensar que el aumento de la velocidad corte tiene un efecto negativo en la resistencia residual. Velocidad de corte (mm/min) τr/σn φr 0.1 0.23 13.4º 1 0.23 13.0º 45 0.17 9.9º Tabla 14. Resultados de la resistencia residual a distintas velocidades para la muestra S1. Por otra parte, en la Figura 19 correspondiente a un ensayo similar al anterior, con la única diferencia que este tiene periodos de reposo más prolongados de 24hrs, se aprecia un comportamiento semejante al obtenido en el primer ensayo. Al iniciar el corte con la velocidad de 0.1 mm/min y luego de pasar la resistencia pico, llegamos a una resistencia residual de 43 kPa (τr/σn = 0.2145, φr = 12.1º con σn = 200 kPa) que se mantiene constante hasta alcanzar un desplazamiento de 150 mm. Luego del primer periodo de reposo de 24 hrs se reactiva el ensayo con una velocidad de 1 mm/min y se observa como esta resistencia va disminuyendo prograsivamente hasta un valor de 33 kPa. Lo mismo ocurre luego de la segunda pausa de reposo, se aumenta la velocidad de corte a 45 mm/min y vemos como la resistencia residual alcanza un valor muy por debajo del obtenido con la velocidad inicial. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 50 Velocidad de corte (mm/min) τr/σn φr 0.1 0.21 12.1º 1 0.15 8.8º 45 0.13 7.3º Tabla 15. Resultados de la resistencia residual a distintas velocidades para la muestra S2. En la Figura 19 muestra los valores de resistencia residual obtenidos del ensayo sobre la muestra S2 sometida a corte con velocidades de 0.1, 1 y 45 mm/min entre periodos de reposo de 24hrs en un mismo ensayo. Con motivos de comparación la Figura 45 también muestra los resultados obtenidos en las muestras S6, S7, y S8 sometidas de forma individual a velocidades constantes de 0.1, 1 y 45 mm/min respectivamente. Estas últimas muestras también tenían tiempos de reposo de 24 hrs. Figura 45. Resultados de la resistencia residual en función de la velocidad de corte de las muestras S2, S6, S7, S8. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 51 Es apreciable que existe gran semejanza entre los valores obtenidos en para velocidades de 1 y 45 mm/min, a diferencia de los valores correspondientes a la velocidad de 0.1 mm/min que son significativamente diferentes. El valor de la Resistencia Residual en ambas graficas disminuye a medida que se aumenta la velocidad de corte. Ambos ensayos con incremento de velocidad progresivo luego de cada pausa de reposo (ver Figura 46). Figura 46. Resultados de la resistencia residual en función de la velocidad de corte de las muestras S1, S2. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 52 Influencia del tiempo de reposo (Resting Time) Para evaluar que influencia tiene el tiempo de reposo se prepararon un conjunto de muestras de arcilla Boom con las mismas características y sometidas a una tensión normal constante de 200kPa. Los ensayos se realizaron sobre seis muestras manteniendo una velocidad constante antes y después de los tiempos de reposo. En la primera parte de este estudio se ensayaron tres muestras con velocidades de 0.1, 1 y 45 mm/min, y estas fueron destinada para evaluar tiempos cortos de reposo de 2hrs. Luego de iniciado el proceso de corte en cada una de ellas, y tardando el tiempo correspondiente para alcanzar un desplazamiento horizontal aproximado de 80 mm, se detuvo el proceso de corte y se dejó reposar la muestra por 2hrs, pasado este tiempo se vuelve a reactivar el corte hasta alcázar otros 80 mm de desplazamiento, haciendo un total 160 mm en todo el ensayo. Observando las Figura 21, Figura 25 y Figura 29, se nota claramente que el efecto de reactivación de desplazamiento luego de un tiempo de reposo de 2hrs si genera un pequeño aumento en la resistencia residual de la arcilla. Este aumento que es apenas apreciable está entre un 3% y 8% de la resistencia residual observada antes de la pausa y reactivación del corte. RESULTADOS DE LA RESISTENCIA RESIDUAL PARA TIEMPOS CORTOS DE REPOSO MUESTRA Velocidad de corte (mm/min) Resting Time (hrs) 𝝉𝒓 𝝈𝒏 𝝉𝒓 (𝑹𝒆𝒂𝒄𝒕) 𝝈𝒏 % de aumento de resistencia S3 0.1 2 0.1328 0.1366 2.86 % S4 1 2 0.1583 0.1610 1.71 % S5 45 2 0.1203 0.1298 7.90 % Tabla 16. Resultados de la influencia del tiempo de reposo de 2hrs en la resistencia residual para las muestra S3, S4 y S5. RESULTADOS DEL ANGULO DE FRICCIÓN PARA TIEMPOS CORTOS DE REPOSO MUESTRA Velocidad de corte (mm/min) Resting Time (hrs) φr φreact % de aumento de resistencia S3 0.1 2 7.5º 7.7º 2.86 % S4 1 2 9.0º 9.1º 1.71 % S5 45 2 6.8º 7.4º 7.90 % FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 53 Por otra parte se ensayaron tres muestras más, aplicando las mismas velocidades de corte de 0.1, 1 y 45 mm/min, pero esta vez fueron destinadas para evaluar el efecto de los tiempos altos de reposo. Por limitaciones de tiempo y por algunos inconvenientes para mantener la humedad de la muestra lo más constante posible, optamos por evaluar tiempos de reposo entre 20 y 30 horas. Al igual que los ensayos anteriores, se inició el proceso de corte en cada una de las muestras hasta alcanzar un desplazamiento de cizalladura aproximado de 80 mm, conseguido este desplazamiento se detuvo el proceso de corte y se dejó reposar la muestra por un periodo aproximado de 24hrs. Pasado este tiempo se vuelve a reactivar el corte hasta alcázar otros 80 mm de desplazamiento, lo que hacen un total 160 mm en todo el ensayo. Como resultado en las Figura 34, Figura 37 y Figura 41, muestran que el efecto de reactivación de desplazamiento luego de un tiempo de reposo mayor a 20 horas genera un aumento significativo en la resistencia residual de la arcilla. Figura 47. Influencia del tiempo de reposo de 2hrs en la resistencia residual para las muestra S3, S4 y S5. Incremento de Resistencia (%) FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 54 Este aumento de hasta un 60 % en la resistencia muestra la gran influencia que tiene el tiempo de envejecimiento en el ángulo de fricción residual disponible en una superficie preexistente de cizalladura. Este incremento progresivo de la resistencia residual en función del tiempo de reposo demuestra proporcionalidad directa que existe entre sí. RESULTADOS DE LA RESISTENCIA RESIDUAL PARA TIEMPOS ALTOS DE REPOSO MUESTRA Velocidad de corte (mm/min) Resting Time (hrs) 𝝉𝒓 𝝈𝒏 𝝉𝒓 (𝑹𝒆𝒂𝒄𝒕) 𝝈𝒏 % de aumento de resistencia S6 0.1 33 0.114 0.120 5.26 % S7 1 68 0.141 0.227 60.99 % S8 45 20 0.112 0.178 58.92 % Tabla 17. Resultados de la influencia del tiempo de reposo de 24hrs en la resistencia residual para las muestra S6, S7 y S8. RESULTADOS DEL ANGULO DE FRICCIÓN PARA TIEMPOS CORTOS DE REPOSO MUESTRA Velocidad de corte (mm/min) Resting Time (hrs) φr φreact % de aumento de resistencia S6 0.1 33 6.5º 6.8º 2.86 % S7 1 68 8.0º 12.8º 1.71 % S8 45 20 6.4º 10.1º 7.90 % Figura 48. Influencia del tiempo de reposo de 24hrs en la resistencia residual para las muestra S6, S7 y S8. Incremento de Resistencia (%) FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 55 Con fines de comparación se tomaron los resultados de resistencia residual obtenidos de los seis últimos ensayos, con el propósito de observar que influencia tiene la velocidad de corte en ellos. En la Figura 46 representa la tendencia de la resistencia residual de la Boom Clay ante el incremento de la velocidad de los desplazamientos de corte. A diferencia de la Figura 49, se observa un aumento en la resistencia residual al comparar los ensayos a velocidades de 0.1 mm/min y 1 mm/min, en cambio si el orden de magnitud de la velocidad de corte es mayor, sí que se reduce progresivamente la resistencia. Este comportamiento muestra que la no proporcionalidad directa entre la velocidad de corte y la resistencia residual de la Boom Clay. Figura 49. Influencia de la velocidad de corte en la resistencia residual para las muestras S6, S7 y S8. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 56 Comparación con estudios previos Figura 50. Influencia de la velocidad de corte en la resistencia residual para las muestras S1 - S8. Figura 51. Influencia de la velocidad de corte en la resistencia residual. Comparación con estudios anteriores. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 57 Comparación de incremento de resistencia. (Influencia de velocidad de corte y tiempo de reposo) Figura 52. Comparación de incremento de resistencia. Tabla 18. Resultados de resistencia residual con velocidad de corte de 0.1 mm/min. Tabla 19. Resultados de resistencia residual con velocidad de corte de 1 mm/min. Tabla 20. Resultados de resistencia residual con velocidad de corte de 45 mm/min. FRICCIÓN RESIDUAL EN JUNTAS. EFECTO DE LA VELOCIDAD DE CORTE 64 Skempton, A. W. (1985). “Residual strength of clays in landslides, folded strata and the laboratory.”. Geotechnique, 35(1), 3–18. Stark, T. D. (2005). “Drained shear strength parameters for analysis of landslides.” . J. Geotech. Geoenviron. Eng., 131(5), 575–588. Taylor, R. 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