LICUACIÓN DE UN LIMO ARCILLOSO SOMETIDO A CARGAS CÍCLICAS MARCIAL Duilio 1, CUI Yu Jun 2 y TERPEREAU Jean-Marc 3, 1 Instituto de Materiales y Modelos Estructurales, Facultad de Ingeniera Universidad Central de Venezuela, Apartado.361, Caracas -A, Venezuela e-mail: duilio.marcial@ucv.ve 2 Ecole des Ponts et Chaussées - Paris, (CERMES, Institut Navier), France. 3 Societé Nationale des Chemins de Fer Français (SNCF), France. Palabras clave: Dinámica de suelos, Comportamiento elastoplástico del suelo, Licuación de suelos finos. Resumen. Clásicamente, el fenómeno de licuación se asocia al comportamiento de suelos arenosos sometidos a acciones sísmicas. Sin embargo, la influencia del contenido de finos limosos y arcillosos en el potencial de licuación de suelos arenosos ha sido objeto de estudios más recientes. En este trabajo se presentan los resultados de ensayos de licuación sobre un limo arenoso, demostrándose que los suelos finos, bajo ciertas condiciones de densidad y microestructura, pueden presentar un elevado potencial de licuación. 1 INTRODUCCION Numerosos hundimientos ocurridos alrededor del tramo del tren de alta velocidad Paris Lille en Francia, durante un período de intensas lluvias entre el invierno de 21 y la primavera de 22, conllevaron a la empresa francesa de ferrocarriles a solicitar un estudio detallado del comportamiento reológico de los materiales de suelo que se encuentran en el sector afectado. En un primer momento, se estudió el comportamiento desde la óptica del potencial de colapso siendo que estos son suelos no saturados. Sin embargo, dado el comportamiento observado para altos grados de saturación, en una segunda etapa la investigación se enfocó en la posible ocurrencia del fenómeno de licuación al conjugar una cuasi saturación durante las fuertes lluvias con el paso del tren. Los resultados obtenidos de ensayos triaxiales monotónicos y cíclicos no drenados muestran la presencia de un estrato con un alto potencial de licuación bajo los esfuerzos inducidos por el paso del tren. Estos resultados son de particular interés ya que no es común observar la ocurrencia del fenómeno de licuación en suelos finos arcillosos. 2 PERFIL LITOLÓGICO 2.1 Toma de muestras Figura 1. Tallado y conservación de monolitos para la realización de ensayos triaxiales.
Para la toma de muestras inalteradas de la mayor calidad posible, se realizó una excavación a cielo abierto hasta una profundidad aproximada de metros, mediante la cual se recuperaron monolitos tallados cuidadosamente a diferentes profundidades según se observaron ligeros cambios en la litología que resultó bastante homogénea. En la figura 1 se presentan vistas del proceso de toma de muestras. 2.2 Perfil de suelo encontrado: ensayos de identificación Desde la superficie, y hasta la profundidad explorada, el perfil de suelo es muy similar y está básicamente compuesto de un limo arcilloso, de baja plasticidad, de color marrón amarillento. Sin embargo, se presentan ligeras diferencias de densidad y composición con la profundidad. En la tabla 1 se presenta la descripción visual de las muestras y en la tabla 2 la densidad y el grado de saturación. Por otra parte, en la figura 2 se muestra la plasticidad y granulometría de las diferentes capas de suelo. Nótese que, en términos de plasticidad y granulometría los suelos son muy similares. Por otra parte, la tabla 2 muestra que el suelo ubicado a una profundidad de 2.2 m es el menos denso y presenta tan solo una densidad seca de 1,39 Mg/m 3. Es en efecto este material el que presenta un comportamiento colapsable, y es objeto de estudio del potencial de licuación. Cabe destacar que los suelos del sitio son ricos en carbonato de calcio (1 a %), lo que contribuye a mantener en el tiempo una estructura relativamente suelta. Profundidad (m) Descripción -, Capa vegetal, color marrón oscuro, arenosa, présence abundante de raíces., 1, Limo arcilloso, medianamente plástico, color marrón claro. 1, 3,3 Limo poco plástico, color marrón claro a beige. 3,3, Limo poco plástico, color marrón claro a beige. >, Limo arcilloso, medianamente plástico, color marrón claro, húmedo. Tabla 1. Descripción visual del perfil litológico Profundidad (m) Densidad seca (Mg/m 3 ) Grado de saturación 1,2 1,2 66 2,2 1,39 3 3, 1,,9 1, 2 Tabla 2. Densidad seca y grado de saturación 1 1 Ip 1 1 Arcillas poco plásticas prof. = 1.2 m prof. = 2.2 m prof. = 3. m prof. =.9 m Ligne A Lp-Ap Lp-Ap Pasante 9 7 6 h = 1.2 m h = 2.2 m h = 3. m h =.9 m 6 Limos arcillosos poco plasticos Limos poco plásticos 3 2 2 Suelos no plásticos 1 1 2 3 6 W L 1 1 1 Tamaño (micras) a) b) Figura 2. Ensayos de identificación a) Pasticidad, b) Granulometría 3 ENSAYOS ESPECIALES 2.3. Ensayos de simple edómetro Con el objeto de verificar el comportamiento colapsable del material encontrado, se realizaron ensayos de simple edómetro sobre las cuatro muestras identificadas en el punto anterior. Para ello se someten las muestras a compresión edométrica a humedad constante hasta un esfuerzo vertical de 2 kpa y luego se someten a inundación bajo
carga constante, observando la deformación ocurrida debido a la saturación. En la figura 3 se presentan los resultados de estos ensayos. Nótese que las muestras ubicadas a una profundidad de 2.2 y 3. m son las que presentan cierto nivel de colapso, siendo la muestra ubicada a 2.2 m la que presenta realmente el potencial de colapso más marcado. 1..9 h = 2.2 m Inundación bajo 2 kpa h = 3. m e. h = 1.2 m h =.9 m.7.6 1 1 1 1 Esfuerzo vetical (kpa) Figura 3. Ensayos de simple edómetro sobre las diferentes muestras del perfil 3.3. Ensayos triaxiales monotónicos Con el objeto de verificar el comportamiento del suelo ante la aplicación de un esfuerzo desviador, se realizaron ensayos de compresión triaxial sobre las diferentes muestras para una presión de confinamiento de 2 kpa, correspondiente al peso del pequeño terraplén que soporta la vía férrea. Cabe destacar que el paso del tren sólo implica la aplicación de un esfuerzo desviador cíclico no centrado de 2 kpa, por lo que con estos ensayos sólo se pretende verificar la capacidad resistente y el comportamiento volumétrico para estos niveles de carga. En la figura se resumen las curvas esfuerzo desviador deformación axial para las diferentes muestras bajo las condiciones de confinamiento indicadas. Nótese que sólo la muestra correspondiente a una profundidad de 2.2 m no tolera esfuerzos de cortes de 2 kpa. En efecto, la probeta ensayada resiste un esfuerzo pico de 13.9 kpa y luego el esfuerzo residual se estabiliza en 6. kpa. 9 Esfuerzo desviador (kpa) 7 6 3 2 1 h = 1.2 m h = 3. m h = 3.9 m h = 2.2 m 2 6 1 1 deformación axial Figura. Curvas q de los diferentes estratos para un confinamiento de 2 kpa
3.. Ensayos triaxiales cíclicos Para determinar la curva de relación de resistencia al corte cíclico, se realizaron tres ensayos bajo un esfuerzo de confinamiento de 2 kpa y diferentes esfuerzos desviadores cíclicos, q c. Los valores de los desviadores de corte cíclico se definieron en base al ensayo triaxial monotónico de la muestra correspondiente, de manera de mantenerse aproximadamente entre el valor de resistencia pico y el residual. Asi, los ensayos se realizaron para q c = (., 11.7 y 1.9)kPa. Los resultados del primer ensayo se resumen en la figura, correspondiente a un valor de q c de. kpa. Nótese que durante los primero ciclos de carga el valor de variación de la presión intersticial se aproxima rápidamente al valor del esfuerzo efectivo de confinamiento de 2 kpa. Por otra parte, a partir de ciclos de carga (N) el suelo pierde completamente su rigidez y no mantiene el valor de q c y se acumulan deformaciones excesivas. Para este valor de N se considera que se alcanza la licuación con el valor de q c impuesto. 2 2 2 δu (kpa) 1 2 1 2 3 Temps (s) 2 2 cycles cycles 1 2 2 3 p' (kpa) 2 Figura. Ensayo triaxial cíclico de la muestra a 2.2 m bajo q c =. kpa. En la figura 6 y 7 se presentan los resultados de los otros dos ensayos, correspondientes a valores de q c de 11.7 y 1.9 kpa. Como es de esperarse, para mayores valores de q c se alcanza la licuación con un menor número de cilos de carga N, siendo el valor de N igual a 29 y 3 para los valores de q c de 11.7 y 1.9 respectivamente. Es importante destacar que el comportamiento del suelo es similar en todos lo casos. Por una parte, se alcanza rápidamente un incremento importante de la presión intersticial en exceso que prácticamente anula el esfuerzo de confinamiento efectivo y, por otra parte, el suelo pierde la rigidez y acumula deformaciones excesivas, alcanzando el estado de licuación.
2 2 2 2 1 δu (kpa) 1 2 2 6 1 Temps (s) 2 1 2 2 29 cycles 29 cycles 1 2 2 3 p' (kpa) Figura 6. Ensayo triaxial cíclico de la muestra a 2.2 m bajo q c = 11.7 kpa. 1 2 2 2 2 2 Temps (s) δu (kpa) 3 cycles 2 3 cycles 2 2 1-2 1 2 2 3 p' (kpa) 2 Figura 7. Ensayo triaxial cíclico de la muestra a 2.2 m bajo q c = 1.9 kpa.
Con los resultados de los tres ensayos de corte cíclico se construye la curva de potencial de licuación, donde se grafica la relación de corte cíclico en función del número de ciclos. Esta curva se presenta en la figura, donde además del suelo objeto de estudio (Loess Picardie) se presenta el potencial de licuación de algunos suelos de alto potencial de licuación. En este sentido, es importante destacar que el material estudiado, a pesar de ser un limo arcilloso, arrojó un potencial de licuación mayor que el de suelos arenosos licuables como por ejemplo las arenas de Nigata y Monterrey. Figura. Curva de potencial de licuación incluyendo diferentes suelos licuables CONCLUSIONES Los resultados mostrados en este trabajo permiten concluir que los suelos de grano fino pueden presentar potenciales de licuación inclusive mayores que suelos arenosos. Por lo tanto, no se debe descartar a priori la ocurrencia de licuación debido a la presencia de un contenido importante de finos. Esto por supuesto condicionado a que se cumplan ciertas condiciones como por ejemplo una baja densidad seca y/o características microestructurales particulares como es el caso presentado en este trabajo. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido apoyado por la Sociedad Francesa de Ferrocarriles (SNCF por sus siglas en francés).