capÍtulo 4 trabajos geotÉcnicos de laboratorio

Análisis del proceso de compactación en una escombrera de sal Capitulo 4

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CAPÍTULO 4

TRABAJOS GEOTÉCNICOS DE LABORATORIO

4.1 Justificación de los ensayos de laboratorio y relación de los ensayos realizados sobre las muestras

El objetivo de los ensayos de laboratorio que se han realizado se basa principalmente

en la caracterización del subproducto que forma parte de la escombrera de residuos

localizada en las minas de potasa de Súria

Para la caracterización de este subproducto primeramente se ha tenido que tener en

cuenta una caracterización básica que ha consistido en obtener valores fiables de la

densidad, humedad, porosidad, etc... de las muestras de subproducto obtenidas

gracias a una campaña de sondeos realizada. Estos ensayos de caracterización se

han centrado en 24 testigos recuperados de los sondeo S1, S2, S3, S13 y S14. En la

Tabla 3.1 y Figura 3.1, del capítulo anterior se muestran los sondeos realizados en

esta campaña y su localización respectivamente. Posteriormente se caracterizó la

resistencia y deformabilidad de los agregados de partículas de sal de la escombrera y,

en especial, la variación de estas propiedades con la profundidad de las muestras.

También se obtuvieron valores de resistencia de las rocas presentes en zonas

próximas a la escombrera como son las muestras del sondeo 3, material donde se

apoya la escombrera. Para las muestras con más contenido en arcilla se realizaron

límites de Atterberg y ensayos de corte anular para obtener el valor del ángulo de

rozamiento interno residual.

Referente a las muestras inalteradas de lodos se obtuvieron los parámetros básicos de

identificación del suelo y los valores de resistencia a compresión simple.

En las Tablas 4.1, 4.2, 4.3 se presentan los ensayos de laboratorio realizados con las

muestras extraídas de sondeos en materiales salinos, de terreno natural y de los

procedentes de la balsa de lodos respectivamente


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MUESTRAS DE ESCOMBRERA

SONDEO MUESTRA PROFUNDIDAD (m)

IDENTIFICACIÓN BÁSICA

ENSAYO MECÁNICO

S1 TP1 6,00 - 6,30 γ n, ω, γs, γ d, [c], %arcilla, e, n, Sr CS, ED

S1 TP2 11,85 - 12,17 γ n, ω, γs, γ d, [c], %arcilla, e, n, Sr CS








S1 TP10 65,80 - 66,05 γ n, ω, γs, γ d, [c], %arcilla, e, n, Sr CS, ED

S2 TP1 6,60 - 6,95 %arcilla CS

S2 TP5 25,35 - 25,62 %arcilla CS

S2 TP9 46,35 - 46,65 %arcilla CS

Tabla 4.1.- Parámetros de identificación y ensayos mecánicos realizados en el laboratorio

sobre muestras de escombrera. (CS: compresión simple; CA: Corte Anular; ED: Edómetro).

MUESTRAS DE TERRENO NATURAL


IdentificaPARÁMETROS ENSAYO MECÁNICO

S2 TP11 59,85 - 60,15 γn, ω, γd CS

S3 MI1 2,00 - 2,55 γn, ω, γd , ωL , ωP , IP CS, CA

S3 TP1 4,25 - 4,55 γn, ω, γd , ωL , ωP , IP CS, CA

S3 TP2 8,15 - 8,40 γn, ω, γd CS

S3 TP4 17,45 - 17,75 γn, ω, γd CS

S3 TP5 22,45 - 22,70 γn, ω, γd CS

S3 TP7 32,00 - 32,30 γn, ω, γd CS

Tabla 4.2.- Parámetros de identificación y ensayos mecánicos realizados en el laboratorio

sobre muestras de terreno natural (IP: índice de plasticidad, CS: compresión simple; CA: Corte

Anular).


61

MUESTRAS DE LODO


IDENTIFICACIÓN BÁSICA ENSAYO MECÁNICO

S13 MI1 2,30 - 2,60 γn, ω, γd ,e, n CS

S14 MI1 2,00 - 2,60 γn, ω, γd, e, n CS

S14 MI2 6,40 - 7,00 γn, ω, γd ,e, n CS

S14 MI3 11,40 - 12,00 γn, ω, γd ,e, n CS

Tabla 4.3.- Ensayos mecánicos realizados en el laboratorio sobre muestras de lodo. (CS:

compresión simple).

Gracias a los ensayos de laboratorio se obtendrán los siguientes objetivos:

- Identificar el estado en que se encuentran los diversos materiales.

- Evaluar sus propiedades mecánicas (resistencia, deformabilidad y

su posible variación en función de la profundidad).

- Prever posibles problemas geotécnicos que se puedan dar.

Los ensayos de laboratorio plantean el inconveniente de que tenemos que suponer

que la muestra que ensayamos es representativa del total del suelo, y que se

encuentra todo el suelo en el mismo estado.

Otro inconveniente, que se tuvo que tener en cuenta en el momento de estimar

numéricamente los valores más significativos para la identificación del suelo, es que su

composición es salina, lo que nos dificulta la obtención de dichos parámetros, ya que

en contacto con el agua, la muestra es susceptible de ser disuelta. El agua que llena

los poros del material salino está saturada de sales, de esta manera en contacto con el

agua pura es altamente susceptible a ser disuelto.

Otro factor a tener en cuenta, es que las sales tienen un alto poder de corrosión, por lo

que, se ha tenido que tener especial cuidado en proteger los aparatos de ensayo del

laboratorio, para que no pudieran dañarse con la segregación que pudieran realizar las

sales.

Todos estos inconvenientes han llevado a cambiar algunos de los métodos de ensayo

como veremos más adelante y a adoptar algunas precauciones en el momento de

utilizar los aparatos del laboratorio.


62

4.2 Ensayos sobre muestras de escombrera

4.2.1 Ensayos de Identificación y Estado Los ensayos de identificación son aquellos que nos van a permitir caracterizar el suelo

y su comportamiento en términos generales. Los principales trabajos realizados en el

laboratorio son:

A) Análisis granulométrico de suelos mediante tamizado, microscopio, y

tratamiento de imágenes.

B) Determinación de la densidad relativa de un suelo. Método de la balanza

hidrostática.(NLT- 167/74).

C) Determinación del peso específico de las partículas sólidas.

D) Determinación de la humedad

E) Determinación de la concentración.

F) Determinación de la densidad seca.

G) Determinación de la porosidad e índice de poros.

H) Determinación del grado de saturación del suelo.

I) Determinación del % de insolubles y de agregados salinos.

A. 1 Análisis granulométrico de suelos mediante tamizado La muestra analizada para el análisis granulométrico tiene un peso total de 235,88 gr.

La muestra en cuestión, está compuesta por una mezcla de diferentes muestras de

sales a diferentes profundidades procedentes todas ellas del sondeo S1. El material

original se puede observar en la Figura 3.2 del capitulo anterior. Para realizar el

análisis granulométrico se ha triturado el material salino con la ayuda de un martillo de

goma, para no dañar la estructura cristalina del material como se muestra en la Figura

4.1:


63

Figura 4.1.- Muestra utilizada para el análisis granulométrico

TAMIZ mm RETENIDO (gr)

% RETENIDO

% PASA

%RET. ACUMULADO

% PASA ACUMULADO

# 4 4,76 0 0 100 0 100 # 5 4,00 0,00 0 100 0 100 # 6 3,36 0 0 100 0 100 # 7 2,83 0 0 100 0 100 # 8 2,38 0 0 100 0 100 # 10 2,00 23,22 9,84 95,82 9,84 90,15 # 16 1,19 37,64 15,95 93,23 25,80 74,19 # 40 0,42 122,61 51,97 77,96 77,78 22,21

# 100 0,149 44,58 18,89 91,98 96,68 3,31 # 200 0,074 5,46 2,31 99,01 98,99 1,00

Pasa # 200 0 2,37 1,00 99,57 100 0

Tabla 4.4.- Resultados del ensayo de tamizado

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0010,010,1110100Abertura (mm)

% p

asa

acum

ulad

o

Figura 4.2.- Curva granulométrica de los agregados salinos.

Los resultados del análisis se muestran en la Tabla 4.4 y la Figura 4.2 Viendo los

resultados del análisis granulométrico mediante tamizado vemos, que la apertura de

tamices donde queda más material retenido es el tamiz #40 (420 μm), por lo tanto, la

mayor parte del material (en peso) tiene diámetros que se encuentran comprendidos

entre: (1,19 mm y 420 μm).

COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD

Cu= D60/D10 = 0,9/ 0,25= 3,6 menor a 6. Material salino uniforme, es decir, mal

graduado.


64

COEFICIENTE DE CURVATURA

CC= D302 / (D10 * D60)= 0,52 / (0,25 * 0,9)= 1,11

A.2 Análisis granulométrico de suelos mediante microscopio

En nuestro caso, nuestro suelo está compuesto por granos finos, los cuales no son

apreciables a simple vista, y es necesaria la ayuda de microscopio para poder

diferenciar un tamaño de grano de otro. Además, dentro de ello podemos tener

fracción arcillosa, que nos dificulta ver el grano en su totalidad y con ello saber sus

dimensiones.

Se realizaron en el laboratorio de suelos varias fotografías con la ayuda del

microscopio Digital Blue tm Q*3 tm. Computer Microscope Readme and Release

(Figura 4.3), el cual permite con los diferentes aumentos de los que dispone: 200X,

60X y 10X, realizar manualmente una relación de los diferentes tamaños de grano.

Para obtener la escala se introdujo un papel de 1 mm, el cual, se observa en la

fotografías aumentado 60 veces.

Según las fotografías de la Figura 4.3, podemos afirmar la existencia de tres tamaños

de grano principalmente, predominando el tamaño grande mayoritariamente:

TAMAÑO GRANDE: 450 μm - 250 μm

TAMAÑO MEDIO: 250 μm - 160 μm

TAMAÑO PEQUEÑO: 160 μm - 60 μm

Estos datos concuerdan con el análisis granulométrico realizado.

Visto que los resultados siguen un margen muy amplio de resultados, se optó por

realizar con el material de deshecho de Súria en estado natural, fotografías con el

microscopio electrónico Environment Scanning Electrón Microscope (ESEM) (Figura

4.4), el cual, mediante un haz de electrones, permite obtener imágenes superficiales y

tridimensionales de la muestra. Al incidir el haz de electrones sobre la muestra, se

liberan rayos X que permiten un espectro de elementos y llegar así a un análisis

químico elemental de la muestra. El ESEM no requiere preparación previa de las

muestras porque aplica un gas entre el detector de electrones y la muestra (vapor de

agua, argón o nitrógeno). Este gas se ioniza al colisionar con los electrones reflejados

en la estructura produciendo un doble efecto. Por una parte, amplifica la señal de

electrones emitidos por la muestra (que son los responsables de producir la imagen) y

por otra parte evita que la muestra se cargue electroestáticamente.


65

Figura 4.3.- Fotos realizadas con microscopio de 60 aumentos. Muestra salina procedente del sondeo S1 TP1.

1 mm


66

Figura 4.4.- Microscopio electrónico de barrido ambiental Electroscan 2020 (ESEM).

Además de observar las diferentes microestructuras que hemos descrito anteriormente

y una descripción cuantitativa de la estructura de los poros, se obtendrá los diferentes

tamaños de grano de los que está compuesto el material salino, para el modelo

constitutivo que se realizará posteriormente y que nos permitirá modelar el

comportamiento del material a largo plazo. Las Figuras 4.5 a 4.11 muestran algunas

de la fotografías tomadas con el microscopio electrónico.

Figura 4.5.- Fotografías realizadas con el microscopio ESEM. Muestra procedente del sondeo

S1TP1.

Arcillas o material de cementación

Grano (Fase sólida)

b)

Grano

a)

Porosidad intercristalina (Fase gaseosa)




67

Figura 4.6.- Granos de halita y silvinita Figura 4.7.- Granos de halita y carnalita

Figura 4.8.- Dislocation climb Figura 4.9.- Hábitos tabulares y cúbicos

d

d

e) f)

t

t

c)

Truncamiento

t

t

d)

Inclusiones de salmuera



g) h)

t t

i ii

i

Interdigitación


68

Figura 4.10.- Transformación de salmuera-halita Figura 4.11.- Granos de halita Gracias a la escala proporcionada en la parte inferior de las fotos, y mediante un

tratamiento de imágenes mediante el programa informático ImageJ, que realiza

contrastes de colores entre negros y blancos, se determina el área de todas las

partículas que se visualizan enteras y su diámetro equivalente (ver Figura 4.12 y

Figura 1.1 del anejo 1). De esta manera, se ha obtenido como tamaño medio de grano:

325 μm, valor que se engloba dentro de los intervalos propuestos por el microscopio

Digital Blue, del laboratorio de suelos de la Universidad Politécnica de Cataluña, y el

intervalo propuesto por el análisis granulométrico de suelos mediante tamizado.

Figura 4.12.- a) Fotografía realizada con el microscopio ESEM. b) Misma fotografía

tratada con el programa informático de imágenes ImagenJ.

En la mayoría de las fotografías se observa granos de material halítico con hábito

cristalino cúbico, en varios de estos granos se observa inclusiones de salmuera

precipitada y en proceso de transformación en nuevos cristales de halita. (Figuras 4.6,

4.7, 4.10). Por otra parte, en las (Figuras 4.7 y 4.9) también se observa un hábito

cristalino tabular (seudohexagonal), correspondiente a material carnalítico. El material

entre grano y grano no queda del todo claro si es material cementado intercristalino o

por lo contrario material arcilloso (ver Figura 4.5b), en la cual, el material parece del

tipo arcilloso. Para determinar de que tipo de material se trata, habría que realizar una

difracción de rayos X de tipo polvo, en la que se determina todos los minerales de los

que está compuesta la muestra.

a) b)



69

Composición de los materiales

Según la información facilitada por Iberpotash, en la escombrera de Súria pueden

considerarse dos materiales principalmente: los "fangos", de los cuales, destacamos el

alto contenido de compuestos insolubles y los residuos, de los cuales, se destaca

principalmente el alto contenido en NaCl, compuesto de deshecho de las minas de

Súria, después de haber extraído la ganga (KCl). Los primeros representan alrededor

del 1,6% y los residuos el resto (98,4%). Sin embargo, la composición de la balsa de

lodos es análoga a la de los fangos. En la Tabla 4.5 se muestra la composición de los

lodos y de la escombrera.

COMPOSICIÓN (% en peso) COMPUESTO

FANGOS RESIDUOS ESCOMBRERA

KCl 23,0 2,9 3,2

NaCl 18,9 78,8 77,8

MgCl2 5,6 1,5 1,6

Sulfatos 12,7 3,3 3,5

Insolubles. 35,1 1,7 2,2

Tabla 4.5.- Composición de los fangos y los residuos facilitados por Iberpostash.

B. Determinación de la densidad natural

Debido a los inconvenientes de disolución de las muestras, anteriormente descritas se

estimó obtener dicha densidad mediante el método de la balanza hidrostática. La

realización de este ensayo viene regulada por la norma UNE 103.301-94, según la

cual, se determina la densidad de un suelo como el cociente entre la masa de dicho

suelo y su volumen. Según la misma norma, el ensayo se puede realizar en aquellos

suelos cuya humedad y contenido en finos impidan el desmoronamiento de la muestra

y permitan su recubrimiento con una capa de parafina de densidad conocida.

Para la realización de este ensayo, se utilizaron 10 muestras del sondeo S1, una

muestra de cada testigo de suelo recuperado. Todas ellas se lijaron de manera que


70

sus bases quedaran lo más planas posible. En 6 de ellas, con la ayuda del pie de rey

se tomaron medidas tanto de radio como de altura, con tal de obtener un volumen

promedio, y así poder estimar la densidad.

MUESTRA 5 γn =

Pesomuestrasinparafinar(W)Volumenaproximadomuestra(V)

=227,07117,2

=1,93 gr/cm3

(4.1)

MUESTRA

9 γn=Pesomuestrasinparafinar(W)

Volumenaproximadomuestra(V)=

316,55162,58

=1,94 gr/cm3 (4.2)

Seguidamente se pesaron todas las muestras en una balanza con una precisión de

0,01gr (W1). Y se parafinaron con una capa bien gruesa de parafina del tipo P.F. (56-

58ºC) en lentejas, usada en laboratorios, previamente fundida.

Una vez parafinadas las muestras se volvieron a pesar, encontrando (W2), con una

precisión de 0,01gr y se sumergieron en agua destilada mediante una cesta colgante

de la parte inferior de la báscula, de manera que no tocara el fondo del recipiente lleno

de agua (Figura 4.13). La báscula nos marca el peso de la muestra sumergida dando

(Wsum).

muestra natural balanza hidrostática W1 V1 = ? muestra parafinada

W2= W1 + Wparafina Vsum= V1 + Vparafina

W sum= W2 - Vsum γw


71

Figura 4.13.- Balanza hidrostática y muestras parafinadas La diferencia entre los valores de W2 y W1 corresponderá a la masa de la parafina

añadida, Wparafina. El volumen de ésta, Vparf., en cm3, viene dado por el cociente entre la

masa Wparfafina y la densidad de la parafina en g/cm3.

Wparafina = W2 - W1 Vparafina = parafina

parafina

Wγ

(4.3)

Se determina en balanza hidrostática la masa sumergida de la muestra mas la

parafina, Wsum, en gr, con la precisión exigida en las balanzas.

El volumen de la muestra, Vsum, en cm3, vendrá dado por la expresión:

Vsum = W1 – Wsum - Vparf.

V1 = Vsum - Vparafina = 2 sum 2 1

w parafina

W -W W -W-γ γ

(4.4)

Finalmente, la densidad natural γn expresada en gr/cm3, se determina mediante el

cociente:

γn = 1

1

WV

(4.5)

Como podemos ver en la Tabla 4.6 donde se muestran las diferentes densidades

encontradas para cada una de las muestras de los testigos recuperados del sondeo

S1, vemos que la densidad natural de la sal aumenta a medida que aumenta la

profundidad a la que se encuentra el material, variando de 1,729 gr/cm3 en materiales

de 6,50 m de profundidad aproximadamente a 2,101 gr/cm3 para el caso de la muestra

TP10 a 66,00 m de profundidad. Esto es debido, a que las muestras más profundas

como hemos dicho anteriormente, pertenecen a una antigua balsa de lodos, donde por


72

encima de ella, fue vertido el material desecho, mezclándose los materiales y dando

lugar a muestras con bandas de lodo en su composición. Vemos también, valores que

destacan como es el caso de la muestra TP3, la cual, después de ser ensayada da

como resultado, un valor de 2,050 gr/cm3, un valor atípico para muestras de sal. Esto

es debido a que la muestra, contenía sal y un % alto de insolubles (que se

determinarán más adelante), aumentando de ésta manera la densidad. Las últimas

muestras TP8, TP9, TP10, en mayor o menor medida también son muestras con una

tonalidad más oscura en forma de bandas finas o en forma de lentejones incrustados

en el material salino.

RESULTADOS DEL VALOR DE LA DENSIDAD RELATIVA DE LAS SALES EN ACEITE DE PARAFINA

Tipo Densidad agua (γw)

Desidad parafina (γp)

Peso muestra

(Wt)

Peso muestra parafinada (W1)

Peso muestra su.

(W2) Densidad (γn)

S1 TP1 1 0,89 189,38 334,69 61,9 1,72 S1 TP2 1 0,89 263,32 416,7 93,33 1,74 S1 TP3 1 0,89 238,47 328,71 101,39 2,05 S1 TP4 1 0,89 433,22 660,47 193,88 1,89 S1 TP5 1 0,89 157,97 238,38 66,58 1,93 S1 TP5 1 0,89 107 161,31 45,1 1,93 S1 TP5 1 0,89 89,34 174,56 32,78 1,94 S1 TP9 1 0,89 148,03 222,8 62,45 1,93 S1 TP9 1 0,89 316,55 525,61 127,98 1,94 S1 TP9 1 0,89 227,07 313,5 99 1,93 S1 TP6 1 0,89 307,35 405,91 138,03 1,95 S1 TP7 1 0,89 294,34 402,07 138,06 2,05 S1 TP8 1 0,89 265,52 345,2 123,79 2,00 S1 TP8 1 0,89 270,56 370,68 123,87 2,01 S1 TP10 1 0,89 255,77 374,52 119,38 2,10

Muestras con lodos

Tabla 4.6.- Resultados de la densidad natural para cada una de las muestras ensayadas del

sondeo S1

El valor estimado de la parafina es de 0,89 gr/cm3, se obtuvo de dos maneras

diferentes. Por un lado se actuó de igual manera que para el caso de una muestra. Se

fundió la parafina se dejó secar adoptando una forma irregular, en la cual, no se podía

obtener el volumen, pero los pesos tanto el natural como el peso sumergido se

obtuvieron de la manera siguiente: A = B + C - VP* γω

VP* γω = B + C - A 12,38 gr 12,38 cm3 Volumen parafina


73

γω = Peso parafina /Volumen parafina = 0,89 gr/cm3

Siendo:

A Peso sumergido de la parafina + Pesa para sumergir la parafina

B Peso sumergido de la pesa

C Peso parafina

El segundo método consistía en poder obtener un volumen conocido de parafina, de

esta manera se llenaron dos botes diferentes de parafina líquida y se dejó secar

24horas, seguidamente se rompieron cuidadosamente los recipientes y se obtuvo:

PARÁMETRO (gr) Bote 1 Bote 2 Peso recipiente ------- 11,78 11,85 Peso bote con parafina ------- 40,05 39,89 PESO PARAFINA (C ) 11,25 28,17 28,04 PESO DE LA PESA (para sumergir) 70,36 692,08 692,08 PESO SUB PESA (B) 61,32 607,31 607,31 PESO SUBMERGIDO PARAFINA + PESA (A) 60,19 603,80 600

Tabla 4.7.- Pesos usados para el cálculo de la parafina

V parafina = π * r2 * h + Vcono = 31,68 gr γ parafina = Peso parafina / Volumen parafina

a2 Vparafina = 1/3 *a1* h1 - 1/3 *a2 * h2 = 55,25 cm3

γparafina = Peso parafina / Volumen parafina

a1

0,889 gr/cm3

0,89 gr/cm3


74

De esta manera, y realizando varias veces el mismo proceso, se obtuvo el valor de la

densidad de la parafina de 0,89 gr/cm3, que será el valor adoptado a lo largo de toda la

tesina.

C. Determinación del peso específico de las partículas sólidas

La realización de este ensayo viene regulada por la norma UNE 103.302-94

"Determinación de la densidad relativa de las partículas de un suelo", que tiene por

objeto la determinación de la densidad relativa de las partículas menores de 5 mm de

un suelo. Esta densidad se define como el cociente entre la masa de un determinado

volumen de suelo exento de poros, a una temperatura y la masa del mismo volumen

de alcohol 99,5% de pureza, exenta de aire, a la misma temperatura.

Para conseguir la misma temperatura se usó baño de agua con regulación

termoestática, (Figura 4.14) capaz de mantener la temperatura con una precisión de ±

0,2 ºC.

También cabe decir, que se modificó la realización del ensayo utilizando alcohol 99,5%

de pureza, en vez de la de 96% habitual, para que no se produjese disolución de la sal

en el matraz de ensayo.

En la tabla siguiente, Tabla 4.8, se pueden apreciar los resultados del ensayo. Vemos

valores muy parecidos del orden de γS = 2,20 gr/cm3 para muestras únicamente con

componentes salinos y γS = 2,24 gr/cm3 para muestras con partículas de los lodos.

RESULTADOS DE LOS PESOS ESPECÍFICOS DE LAS POTASAS EN ALCOHOL 99,5% DATOS S1 M1 S1 M3 S1M3 S1M3 S1M4 S1 M6 S1 M8 S1 M10Lectura Alcohol en Matraz 0,26 0,43 0,90 0,60 0,60 0,58 0,67 0,70 Peso Alcohol + Matraz 367,04 373,05 403,21 336,70 337,08 367,98 374,28 337,75Lectura Alcohol + Sal 413,13 419,11 441,43 383,21 383,48 413,70 419,83 385,07Lectura a las 24h Alcohol + Sal 21,10 20,92 17,80 21,3 21,78 21,35 21,40 21,80 Peso Específico partículas sólidas (gS) 2,20 2,24 2,24 2,24 2,19 2,20 2,19 2,24

Muestras con lodos

Tabla 4.8.- Resultados del peso específico de las muestras pertenecientes al sondeo S1.


75

Figura 4.14.- Bañera termoestática D. Determinación de la Humedad

La humedad ω se define como la relación entre el peso del agua intersticial y el peso

de los granos sólidos, para un volumen unitario. Su valor se expresa en % y puede

alcanzar valores mayores del 100%.

ω = w

s

WW

* 100%

(4.6)

En nuestro caso, al tratarse de materiales con composición salina, el agua que rellena

los poros está saturada de sal (salmuera) lo que hace que el cálculo de la humedad,

como se ha visto, no se pueda realizar. Es por este motivo que distinguiremos entre

dos definiciones de humedad: La humedad clásica, ωw (peso del agua pura / peso de

las partículas sólidas) y la humedad de salmuera, ωsalmuera (peso de salmuera / peso de

partículas sólidas). Cabe tener en cuenta que en el peso de las partículas sólidas no

debe incluirse el peso de las sales disueltas que precipitan cuando se seca la muestra

en la que se pretende evaluar la humedad.

En la determinación de la humedad se consideran dos pesos: peso total de la muestra

húmeda (WT) y peso de la muestra tras secado en el horno a 110 ºC durante 24 horas

(Wseco). A partir de estos pesos y de la concentración de sales disueltas, [c] en gramos

de sal / gramos de agua, las dos humedades mencionadas pueden calcularse como:

(1 )T seco

seco T

W WW c cWωω −

=+ −

; ( ) (1 ) (1 )(1 )

T secosalm

seco T

W W c cW c cW ωω ω− +

= = ++ −

(4.7)

E. Determinación de la Concentración


76

Para evaluar la concentración de las muestras, se utilizaron las fórmulas empíricas

que propone S. Olivella (1996) que relacionan la concentración con la temperatura, sin

olvidar que esta concentración también nos indica el grado de solubilidad de la

muestra:

35.335 0.229471 0.0069059

TcT

−=

−

100hl

cwc

=+

(4.8)

whl = Función de la solubilidad de (NaCl)puro en agua. Concentración de soluto

(NaCl)puro.

T = Temperatura

De esta manera se ha realizado la Tabla 4.9 que proporciona las concentraciones

máximas de saturación o solubilidad correspondientes a NaCl puro a diferentes

temperaturas:

T (ºC) c whl

19 35,65 0,2628 20 35,67 0,2629 21 35,69 0,2630 22 35,71 0,2631 23 35,73 0,2632 24 35,75 0,2633 25 35,77 0,2634

Tabla 4.9.- Relación concentración de saturación máxima respecto a la temperatura y fracción masa de sal/ masa total respecto a la temperatura.

Para una temperatura de 20ºC, la concentración de saturación máxima es de 35,67 gr

de sal disuelta/gr de agua, mientras que para una temperatura de 23ºC, la solubilidad

es de 35,73 gr de sal disuelta/gr de agua, de forma que el cambio no es substancial. Sabiendo que la temperatura en el laboratorio varia entre 20-23ºC, se puede disponer

de una referencia para el valor tanto de la concentración como el valor de la fracción

de gr de sal / en gramos de masa total.

F. Determinación de la Densidad seca

Una vez obtenido el valor de la concentración salina, nos permitirá obtener otros

valores como la densidad seca (γd), definida como el peso de materias secas

comprendidas en una muestra que ocupa en el estado natural el volumen unitario, es

decir, el peso que subsiste de esta muestra tras la pérdida de toda su agua intersticial.


77

sd

WV

γ = (4.9)

Pero también puede calcularse a partir de la humedad y el peso específico natural,

como:

1n

dsalm

γγ

ω=

+ (4.10)

G. Determinación de la Porosidad e índice de poros

S. Olivella (1992), ha discutido el problema de la determinación del contenido de

porosidad en medios salinos no saturados.

La porosidad (n) se define como la parte de volumen unitario de un suelo que no está

ocupado por las partículas de materia sólida, es decir, es el volumen de huecos (vh)

expresado en porcentaje del volumen total.

El índice de poros o de huecos (e), es la relación entre el volumen de huecos y el

volumen que ocupan las partículas sólidas. La porosidad (n) y el índice de poros (e)

pueden calcularse como:

1 ;1

s

d

ee ne

γγ

= − =+

(4.11)

Referente a la porosidad (n), y el índice de poros (e), serán unos parámetros muy

importantes a lo largo de la tesina, los cuales, iremos viendo como varían en función

de la compactación impuesta al material.

Hay que observar que el valor (e) se define respecto al volumen de la materia sólida y

no respecto al volumen total, ya que el volumen total de la sal varía si se seca o se

comprime como veremos más adelante, mientras que el volumen de la parte sólida

permanece invariable.

H. Determinación del Grado de Saturación

El grado de saturación Sr indica en qué proporción los huecos están llenos de agua, y

puede calcularse como:


78

salm

salm s

eSr γω γ

= (4.12)

El grado de saturación Sr, es un parámetro muy importante ya que según el estado de

la muestra, saturada o no saturada, puede cambiar parámetros tan importantes como

la conductividad hidráulica de la sal variando entre 10-11 a 10-15 m2. Cuando no está

saturado el medio, existe una variación de temperatura, provocando una difusión de

vapor importante. Estos cambios térmicos provocan una migración de la sal, lo que

provoca a su vez una variación de la porosidad. En sales expuestas a temperaturas

altas, (sal más seca), la saturación es más baja que en sales más húmedas o frías,

donde la saturación crece. En nuestro caso la temperatura ambiente del laboratorio

permanece constante ±1ºC, por lo tanto, no existen migración de la sal.

La Tabla 4.11 muestra un resumen de todos los parámetros de identificación

encontrados sobre muestras de la escombrera de residuos de Súria.

Profun Dnatural Dsólido ωw ωsalm Dseca [c] % [c] % e n Sr Muestra (m) (gr/cm3) (gr/cm3) (%) (%) (gr/cm3) sal/agua sal/salm

S1TP1 6,15 1,72 2,20 9,13 12,51 1,53 0,37 0,27 0,44 0,31 0,52 S1TP2 12,00 1,74 2,20 4,82 6,27 1,64 0,30 0,22 0,34 0,26 0,33 S1TP3 17,70 2,05 2,20 6,56 7,87 1,90 0,20 0,16 0,16 0,14 0,92 S1TP3 17,70 2,05 2,24 6,61 8,79 1,88 0,33 0,25 0,19 0,16 0,87 S1TP4 22,67 1,89 2,19 2,40 3,15 1,83 0,31 0,23 0,20 0,16 0,29 S1TP5 39,31 1,93 2,20 2,07 2,81 1,88 0,36 0,27 0,17 0,15 0,30 S1TP6 44,30 1,95 2,20 1,73 2,22 1,91 0,28 0,20 0,15 0,13 0,27 S1TP7 47,85 2,05 2,19 1,27 1,65 2,02 0,30 0,25 0,09 0,08 0,35 S1TP8 52,44 2,00 2,19 1,19 1,74 1,97 0,46 0,10 0,11 0,10 0,28 S1TP8 52,44 2,00 2,24 1,19 1,62 1,97 0,36 0,27 0,14 0,12 0,22 S1TP10 65,92 2,10 2,24 0,48 0,64 2,09 0,33 0,30 0,07 0,07 0,16

Tabla 4.11.- Identificación básica de las muestras de escombrera ensayadas.

Los valores del grado de saturación en las muestras de escombrera están por debajo

de la unidad, lo que no sería compatible con las medidas de presiones de poro

positivas en los sondeos realizados en la escombrera. Una explicación posible sería la

pérdida de agua durante el transporte y el almacenaje de las muestras de laboratorio.

Otra causa posible son las imprecisiones debidas a que el grado de saturación es el

cociente entre dos valores (volumen de líquido/volumen de poros) que son cercanos a

cero y hacen que el error en la estimación del grado de saturación pueda ser alto. Por

último para finalizar el apartado de identificación se realizó con las muestras de

escombrera, la composición (material insoluble/sal), para conocer el porcentaje de

arcilla y sal que poseen.

I. Determinación de % Insoluble / sal


79

Para determinar el porcentaje de insolubles y sal que posee el material de escombrera

se colocan 150gr de muestra representativa de sal o muestra representativa con alto

contenido en materiales insolubles en 5 litros de agua destilada y se realiza una

mezcla durante 3 horas aproximadamente hasta conseguir una solución lo más

homogénea posible. Se deja reposar durante 24 horas tapándola de manera que no se

produzcan pérdidas por evaporación. Con un embudo y un papel de filtro previamente

pesado, se procede a filtrar todo el agua tratando de que los lodos queden los últimos

para verter por el embudo, de esta manera se consigue extraer el máximo de agua a la

muestra. Una vez vertido toda la muestra en el papel de filtro, se deja 24 horas, tapado

para evitar evaporación y conseguir la retención de todo el lodo/sal de la muestra en

el papel de filtro. (ver Figura 4.15).

Se pesa la muestra retenida húmeda Wh y la muestra seca después de 24 horas a

110ºC, dando Ws (peso seco) y con ello se obtene el % de insolubles y el % sal de

cada una de las muestras pertenecientes al sondeo S1 y S2.

Figura 4.15.- Método de filtrado manual.

PROF. INSOLUBLE SAL MATERIAL MUESTRA (m) % % PRINCIPAL

S1TP1 6,00-6,30 8,40 91,60 S1TP2 11,85-12,17 5,84 94,16 S1TP3 17,55-17,85 2,37 97,63 S1TP3 17,55-17,85 6,12 93,88 Sal S1TP3 17,55-17,85 48,24 51,76 Lodo S1TP4 22,55-22,80 23,19 76,81 S1TP5 39,20-39,42 11,00 89,00

embudo con papel de filtro protegido contra evaporación

salmuera

lodo


80

S1TP6 44,15-44,45 1,14 98,86 S1TP7 47,70-48,00 8,30 91,70 S1TP8 51,95-52,93 1,34 98,66 Sal S1TP8 51,95-52,93 17,73 82,22 Lodo S1TP10 65,80-66,05 4,38 95,62 S2 TP1 6,60-6,95 0,26 99,74 S2 TP5 25,35-25,62 0,48 99,52 S2 TP9 46,35-46,65 0,62 99,38

Tabla 4.12.- Valores del contenido de sal y insolubles en las muestras.

También se realizó el filtrado mediante bombeo de baja presión, en el caso de las

últimas muestras dado que el método es bastante más rápido, que el filtrado manual.

Figura 4.16.- Método de filtrado con bomba de vacío de baja presión.

En este caso conseguimos un filtrado mucho más rápido, los materiales insolubles

quedan retenidos en el filtro como se puede observar en la figura 4.16b y 4.16c

anterior, la cual, pertenece a una muestra con lodo y la 4.16d a una muestra con

menor cantidad de lodo. Este filtro es pesado con y sin material y dividido dicho peso

entre el peso total de material filtrado, obteniendo así, el % de material no soluble.

b

dc

a


81

4.2.2 Variación de las propiedades básicas con la profundidad

En la Figura 4.17 y en la Figura 4.18 se muestran la densidad y la humedad obtenida

en las muestras de la escombrera. Se puede observar, como la densidad natural del

material de escombrera aumenta progresivamente con la profundidad. Al contrario,

que en el caso de la humedad, la cual, disminuye con la profundidad. Vemos que la

humedad va disminuyendo progresivamente a medida que aumenta la profundidad de

la muestra ensayada. Para el caso de la muestra S1TP3, parte de ella, con alto

contenido de lodos, la humedad es algo superior que la muestra inmediatamente

superior, esto es debido a la humedad que proporcionan los lodos.

0

10

20

30

40

50

60

70

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2

Densidad (g/cm3)

Pro

fund

idad

(m)

Súria sin lodos

Súria con lodos

Figura 4.17.- Valores de la densidad natural de muestras de la escombrera a diferentes profundidades.


82

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10

Humedad (peso salmuera/peso sólidos) (%)

Pro

fund

idad

(m)

Súria (sin lodos)

Súria (con lodos)

Figura 4.18.- Valores de la humedad (peso salmuera/peso partículas sólidas) de muestras de la escombrera a diferentes profundidades.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

Porosidad

Pro

fund

idad

(m)

Súria (sin lodos)

Súria (con lodos)

Figura 4.19.- Valores de la porosidad en muestras de la escombrera a diferentes profundidades.


83

Para el caso de los residuos procedentes de la mina de Súria (Figura 4.19) se han

obtenido valores de la porosidad del orden del 15% a una profundidad de 10 metros y

inferior al 10% para una profundidad de 45 metros.

0

10

20

30

40

50

60

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1

Grado de SaturaciónP

rofu

ndid

ad (m

)

Súria (sin lodos)

Súria (con lodos)

Figura 4.20.- Valores del grado de saturación en muestras de la escombrera a diferentes

profundidades.

En la Figura 4.20 se muestra los valores calculados del grado de saturación. Los

valores obtenidos son muy dispersos, vemos que las muestras, se encuentran más

saturadas cuanto más superficiales son. Esto puede ser debido a posibles

infiltraciones superficiales que saturan los primeros metros del material acumulado en

la escombrera, perdiendo saturación en profundidad. Cabe decir, que todos ellos se

encuentran por debajo de la unidad, como se ha comentado anteriormente, también

puede ser debido a pérdida de agua durante el transporte y el almacenaje de las

muestras de laboratorio. Otra causa posible son las imprecisiones debido a que el

grado de saturación es el cociente entre dos valores (volumen de líquido/volumen de

poros) que son cercanos a cero hacen que el error en la estimación del grado de

saturación pueda ser alto.


84

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Concentración % (sal/agua)

Pro

fund

idad

(m)

Súria (sin lodos)

Súria (con lodos)

Figura 4.21.- Valores de la concentración en muestras de la escombrera a diferentes profundidades.

La Figura 4.21, muestra como la concentración no cambia excesivamente con la

profundidad. En la escombrera debido a que la disolución de la sal por lluvia afecta

únicamente los primeros metros de profundidad, los valores de la concentración no

serán muy dispares con respecto a la profundidad.


85

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60

% Insolubles

Pro

fund

idad

(m)

Súria (sin lodo)

Súria (con lodo)

Figura 4.22.- Valores del % insolubles en muestras de la escombrera a diferentes profundidades.

La Figura 4.22, muestra el % Insolubles en las muestras de la escombrera a diferentes

profundidades. La muestra S1TP3, S1TP4 y S1TP8 son las muestras con más

contenido de material insoluble entre un 48-18%, mientras que el resto muestras

ensayadas el contenido de insolubles no supera el 10%.

4.3 Ensayos sobre muestras de escombrera

Una vez obtenidos los parámetros de identificación del material salino se han realizado

ensayos mecánicos de laboratorio.

Los ensayos de laboratorio juegan un papel muy importante en el campo de la

investigación en Mecánica del Suelo. Su objetivo es establecer el comportamiento

mecánico del suelo, determinando su resistencia y deformación durante el proceso de

carga.

Como el objetivo final es conocer la ley de comportamiento del suelo y dado que los

suelos no se comportan como materiales isótropos y elástico-lineales no es posible

determinar tal comportamiento con un único ensayo de aquí la necesidad de

desarrollar diferentes tipos de ensayos de laboratorio para estudiar el comportamiento


86

del suelo bajo diversos tipos de solicitación, en ésta tesina se han realizado dos

ensayos mecánicos:

- Ensayos de Compresión Simple

- Ensayos Edométricos

4.3.1 Ensayo de compresión simple Objetivo del ensayo

La realización de este ensayo viene regulada por la norma UNE 103.400-93 "Ensayo

de rotura a compresión simple de probetas de suelo".

El método de ensayo nos determina la resistencia a la compresión (qu) no confinada

de suelos cohesivos, mediante la aplicación de una carga axial con control de

deformación. También determinaremos el módulo de elasticidad (E), y una estimación

de la resistencia al corte (cu) a partir de la resistencia a la compresión. (Figura 2.24).

Resistencia a la compresión no confinada (qu): mínimo esfuerzo compresivo necesario

para romper una muestra no confinada de suelo, de forma cilíndrica, en condiciones

normalizadas. En este método la resistencia a la compresión no confinada se tomó

como la máxima carga alcanzada por unidad de área durante el ensayo. (ver Figura

4.23).

Resistencia al corte (cu): La resistencia al corte puede estimarse a partir de la

resistencia a la compresión a partir de la ecuación:

cu = 0,5 qu (4.13)

Q σ1= Rc =Q/S ح Cu

σ1= Rc σ 3= 0 σ

Q

Figura 4.23.- Ensayo de compresión simple.


87

Ensayos sobre las muestras de escombrera Para la realización de dicho ensayo sobre las muestras salinas del sondeo S1, y de

lodos de los sondeos S13 y S14, se ha utilizado una prensa ELE Digital Tri-test 100,

de 10 Tn (100 KN) de capacidad y con un anillo de carga máxima de 5 Tn (50 kN),

variando de libra en libra, y de velocidad controlada.

La velocidad de la prensa estimada ha sido de v= 1,5 mm/min, con un intervalo de

adquisición de datos de un segundo, para la obtención de 400 puntos máximo en el

caso de no producirse rotura.

Para la realización de dicho ensayo se ha tenido alguna consideración, ya que el

material a ensayar es un material salino, el cual, puede deteriorar el equipo de ensayo.

Por este motivo, se optó por proteger el equipo forrando con papel plastificado. En la

Figura 4.24, se muestra la prensa a utilizar y los accesorios para la protección del

equipo.

Figura 4.24.- Prensa con anillo de carga y protecciones.

Preparación de las muestras


88

Se han ensayado 11 muestras de diferentes profundidades, previamente cortadas con

una sierra mecánica como se puede ver en la Figura 4.25 y lijadas las caras para

obtener un contacto perfecto con la base y el soporte de aplicación de carga del anillo

de la prensa.

Figura 4.25- Sierra eléctrica para el corte de las probetas a ensayar.

Las características geomecánicas y físicas de las muestras ensayadas se detallan a

continuación en el siguiente cuadro:

MUESTRA PROFUNDIDAD MASA (g) DIÁMETRO (mm)

ALTURA (mm) DENSIDAD (gr/cm3)

S1TP1 entre 6,00 - 6,30 724,23 63 128,8 1,72 S1TP2 entre 11,85 - 12,17 710,53 63 123,3 1,74 S1TP3 entre 17,55 - 17,85 791,63 63 127,5 2,05 S1TP4 entre 22,55 - 22,80 834,24 63 131,9 1,89 S1TP6 entre 44,15 - 44,45 820,33 63 128,3 1,95 S1TP7 entre 47,70 - 48,00 839,68 63 127,45 2,05 S1TP8 entre 51,95 - 52,93 792,08 63 124,3 2,00

S1TP10 entre 65,80 - 66,05 892,04 63 129,4 2,10 S2TP1 entre 6,60 - 6,95 737,42 62,6 138,1 1,73 S2TP5 entre 25,35 - 25,62 806,08 64 128,7 1,95 S2TP9 entre 46,35 - 46,65 801,27 63,4 127,3 1,99

Tabla 4.13.- Características físicas y geomecánicas de las muestras de escombrera

ensayadas a CS. Procedimiento


89

Las pautas más relevantes fue tener especial cuidado con los equipos a utilizar,

debido a que el material salino podía deteriorarlos.

Antes de realizar los ensayos de compresión simple a las probetas era muy importante

determinar los valores de ensayo para no dañar las muestras. Las condiciones de

ensayo que aplicaron fueron: Una velocidad de carga de v= 1,5 mm/min, una

velocidad adecuada teniendo en cuenta los antecedentes que ya se disponía sobre

este material en la tesina realizada por Erick Rodas (2007).

Metodología del ensayo

Se coloca la muestra en el aparato de carga de tal manera que quede centrada en la

platina inferior. Se ajusta el instrumento de carga cuidadosamente hasta que la platina

superior apenas haga contacto con la muestra. Se lleva a cero el indicador de

deformación y seguidamente se aplica la carga produciéndose una deformación axial a

una velocidad de v= 1,5 mm/min. Se registran los valores de carga, deformación a

intervalos de 1 segundo, suficientes para definir la curva esfuerzo-deformación (400

puntos como máximo). Se continúa aplicando la carga hasta que los valores de carga

decrezcan al aumentar la deformación o hasta que llegue a la carga máxima que

puede ejercer el anillo de la prensa (5Tn).

Cálculos y resultados

Metodología para el cálculo de la deformación y la tensión aplicada.

El cálculo de la deformación y la tensión aplicada a las muestras se ha realizado con

las relaciones básicas de Mecánica de rocas (4.14) y (4.15).

ε= 0llΔ

(4.14) σ= AP

(4.15)

P: Carga axial aplicada σ: Tensión axial aplicada A: Área inicial l0: Desplazamiento inicial ∆l: Variación del desplazamiento Metodología para el cálculo del módulo de Young El valor del módulo de Young (módulo de elasticidad) según la teoría clásica se define

de la siguiente manera:


90

E σε

Δ=

Δ (4.16)

E: Módulo de Young ∆σ: Variación de tensión axial ∆ε: Variación de la deformación axial El principal problema a la hora de calcular el módulo en cada carga y descarga era el

de escoger el rango de tensiones para el cálculo, debido a que el valor podía variar

bastante. Entonces, para poder analizar los valores del módulo se realizó un estudio

del mismo, en cuatro estados de valor porcentual de la resistencia: E10%, E25%, E50% y

E100%, valorando la zona lineal de la curva tensión axial-deformación. Con el objetivo

de establecer un método para la determinación del Emáximo en las curvas tensión-

deformación.

En la Tabla 4.13 se muestran las características de las probetas a ensayar a

compresión simple pertenecientes al sondeo 1 y sondeo 2. En la Tabla 4.14 se

muestra un cuadro resumen del valor máximo a compresión simple de cada una de las

muestras ensayadas y el valor del módulo de Young de las mismas.

Las gráficas de resultados del ensayo a compresión simple se pueden observar en el

Anejo 2.

Resultados para las muestras de escombrera Los principales resultados obtenidos se recogen en la Tabla 4.14. La variación de la

resistencia a compresión simple y del módulo elástico con la profundidad de extracción

de la muestra se recoge en la Figura 4.28 y 4.29 respectivamente.

Profund. Profund. Resistencia Módulo Humedad Densidad Densidad Poro-

(m) media (m) compresion Elástico salmuera Natural seca sidad Muestra

(MPa) (MPa) (%) (g/cm3) (g/cm3) S1-TP1 6,00-6,30 6,15 2,05 181,40 12,51 1,72 1,53 0,31 S1-TP2 11,85-12,17 12,00 5,54 210,00 6,27 1,74 1,64 0,26 S1-TP3 17,55-17,85 17,70 0,03 10,20 7,87 2,05 1,90 0,14 S1-TP4 22,55-22,80 22,67 8,27 262,50 3,15 1,89 1,83 0,16 S1-TP6 44,15-44,45 44,30 8,56 211,40 2,22 1,95 1,91 0,13 S1-TP7 47,70-48,00 47,85 8,68 251,30 1,65 2,05 2,02 0,08 S1-TP8 51,95-52,93 52,44 6,7 156,50 1,74 2,00 1,97 0,10 S1-TP10 65,80-66,05 65,92 8,78 447,40 0,66 2,10 2,09 0,07 S2-TP1 6,60-6,95 6,77 5,59 319,60 5,38 1,73 1,63 0,26 S2-TP5 25,35-25,62 25,48 16,89 638,58 1,17 1,95 1,92 0,13 S2-TP9 46,35-46,65 46,50 20,17 1181,27 0,02 1,99 1,99 0,10

Tabla 4.14.- Valores obtenidos de máxima carga a compresión simple y Módulos de Young.

Análisis de los resultados


91

Puede apreciarse un claro incremento de la resistencia con la profundidad. Hay que

señalar que las muestras del sondeo S1 (salvo las dos más superficiales) han

presentado capas de lodos en proporciones variables. La presencia de estos lodos

han condicionado mucho, la resistencia de las muestras, en especial la de la muestra

S1TP3 (ver Figura 4.26), que poseía una parte importante de lodo y que se rompió sin

que su superficie de rotura afectara a la parte salina de la muestra.

Figura 4.26.- Muestra S1TP3, formada por una parte de agregados de sal y otra de lodo,

después de su rotura a compresión simple.

En esta figura 4.26, podemos ver, además de la composición de materiales de que

está compuesta la probeta, como se produce la rotura por la parte del material de lodo,

siendo ésta parte, la más débil.

El valor de la resistencia alcanzada en este tramo toma valores de resistencia a la

compresión simple de 0,034 MPa.

En las restantes muestras vemos como la resistencia a la compresión va aumentando

a medida que aumenta la profundidad. En la muestra TP8, también se produce un

descenso de la resistencia. La muestra TP8 se aprecia una banda de 30 mm de

espesor aproximadamente de lodo, zona por la que se produce la rotura al igual que

en la muestra TP3.

En resumen, las muestras con bajo contenido de lodos tienen una resistencia mayor a

medida que aumenta la profundidad, aumentando también su densidad natural y

bajando su contenido de humedad. En el Anejo 2, se muestran las gráficas tensión-

deformación de todas las probetas ensayadas. Existe un primer rango de tensiones

relacionado con el acoplamiento del cabezal de carga a la muestra. En carga sucesiva

fue entrando en la zona elástica (dónde la recta tensión-deformación se hace

prácticamente lineal), zona donde se obtienen los módulos elásticos de las diferentes


92

muestras. Seguidamente a una zona lineal se produce una zona de relajación, en que

en alguna de las muestras la tensión disminuye aumentando la deformación de

manera escalonada, es el caso de la muestra S1TP1 y S1TP3. En las muestras

S1TP6, S1TP7, S1TP10 la tensión disminuye gradualmente a medida que aumenta la

deformación. No es el caso de las muestras S1TP2 y S1TP8, en donde la tensión

disminuye bruscamente después de alcanzar su valor máximo produciéndose un

aumento de la deformación muy pequeño o prácticamente nulo. Por último, la muestra

S1TP4, se produce una zona remanente después de la zona elástica, ya que la

disminución de la tensión se produce de una manera muy lenta a la vez que la

deformación también aumenta lentamente. En la Figura 4.27 se puede ver una

representación de la resistencia a compresión simple versus profundidad de todas las

muestras salinas ensayadas.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

Resistencia a compresión simple (MPa)

Pro

fund

idad

(m)

S1 sin lodosS1 con lodosS2 sin lodos

Figura 4.27.- Variación de la resistencia a compresión simple con la profundidad en

materiales de escombrera.


93

0

10

20

30

40

50

60

70

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Modulo Elástico (E0) (MPa)

Prof

undi

dad

(m)


Figura 4.28.- Variación del módulo elástico de las muestras ensayadas a compresión simple

con la profundidad.

La misma tendencia observada para la resistencia a la compresión simple, se observa

para los módulos elásticos calculados. En las muestras con lodos, se observa una

disminución en el valor del módulo elástico, las muestras son más deformables,

respecto a las muestras únicamente compuestas por sal. (Figura 4.28).

0

5

10

15

20

25

1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20

Densidad natural (g/cm3)

Res

iste

ncia

a c

ompr

esió

n si

mpl

e (M

Pa) S1 sin lodos

S1 con lodosS2 sin lodos

Figura 4.29.- Variación de la resistencia a compresión simple con la densidad natural.


94

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

Porosidad

Res

iste

ncia

a c

ompr

esió

n si

mpl

e (M

Pa)

S1 sin lodosS1 con lodosCogullóAjuste

q= 46e-10 n

Figura 4.30.- Variación de la resistencia a compresión simple con la porosidad. Se

incluyen valores de la resistencia obtenidos en muestras de la escombrera de Cogulló (UPC,

2007).

La resistencia a compresión simple está fundamentalmente ligada a la porosidad de

las muestras. En la Figura 4.29 se puede observar como la relación entre resistencia y

densidad natural es muy clara en las muestras del sondeo 2 sin lodos. Como las

muestras están saturadas, la relación entre la porosidad y la humedad con la

resistencia es análoga a la ya presentada entre la densidad y la resistencia (ver Figura

4.30 y 4.31). Cuanto menor es la porosidad, la densidad aumenta y por consiguiente la

resistencia a compresión. De igual manera si el medio está saturado cuando la

porosidad disminuye aumenta la densidad del material.

Para las muestras sin lodos puede emplearse la siguiente correlación entre la

resistencia a compresión simple (q, en MPa) y la porosidad (n):

q(MPa) = 46 e-10n (4.17)


95

0

5

10

15

20

25

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00

Humedad (agua pura /sólido), (%)

Res

iste

ncia

a c

ompr

esió

n si

mpl

e (M

Pa)


Figura 4.31.- Variación de la resistencia a compresión simple con la humedad.

Por último en la Figura 4.32 se muestra la relación existente entre la resistencia a

compresión simple y el valor del módulo elástico de las muestras ensayadas.

Nuevamente en estas figuras puede observarse el efecto de la presencia de lodos en

las muestras del sondeo S1.

F

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25Resistencia a compresión simple (Mpa)

Mód

ulo

Elá

stic

o (M

pa)



96

Figura 4.32.- Relación entre el módulo elástico y la resistencia a compresión simple de las muestras de escombrera.

Los valores del Módulo Elástico para los rangos de carga de 0 - 1200 MPa presentan

una cierta variabilidad, para las muestras del sondeo S1, la muestra con mayor

resistencia a compresión nos da como resultado el valor más alto en módulo elástico.

(S1TP10). Hay una zona intermedia con cargas máximas alrededor de 5,5 a 8,6 MPa y

un valor del módulo elástico entre 155-260 MPa. Y por último, encontramos la muestra

S1TP3, con un valor de carga máxima alrededor de 0,034 MPa y con un módulo

elástico también muy bajo no llegando a los 18 MPa.

Las muestras procedentes del sondeo S2, son muestras con una resistencia a

compresión más alta y un módulo elástico también más elevado, por lo que, son

muestras menos deformables.

4.3.2 Ensayos edométricos

Introducción

Para estudiar la compresibilidad unidimensional (curva edométrica) y consolidación del

residuo salino, se ha utilizado el equipo de ensayo edométrico, de tensión controlada,

el agua intersticial puede abandonar la muestra, con lo que la presión intersticial

disminuye, transfiriéndose progresivamente la tensión total exterior aplicada al

esqueleto sólido. Evidentemente, se produce una disminución de volumen de la

muestra. Al proceso de eliminación del agua intersticial, recibe el nombre de

consolidación, proceso por el cual, se produce un cambio de volumen del suelo.

LA CONSOLIDACIÓN

Al aplicar una carga sobre el material salino, primero se produce un aumento de

presiones e inmediatamente, se van disipando produciendo una disminución del

volumen de poros. Este proceso es la consolidación primaria. Al disminuir las

presiones aumentan las tensiones efectivas, que son las tensiones que soporta el

esqueleto mineral, y que conlleva una reordenación de las partículas produciéndose

movimientos relativos entre ellas, que dan lugar a la consolidación secundaria. Ésta,

se da para cada tensión efectiva soportada por el mineral.

El límite entre estos dos procesos de consolidación es difuso. En la teoría de la

consolidación éstos, se dan considerando separados y conjuntos, siendo éste último


97

punto de vista el más aceptado. Realmente, cuando las tensiones efectivas empiezan

a aumentar, se debe de producir una especie de fluencia para esa tensión en

concreto. Luego cuando las presiones se hayan disipado por completo tendremos la

consolidación secundaria correspondiente a la máxima tensión efectiva, pero antes

también se produce aunque con tensiones efectivas menores.

Consolidación primaria según el método edométrico

El estado tensional en la muestra es homogéneo y el valor de la tensión axial es

principal:

SF

a =σ (4.18)

Siendo: F= Fuerza aplicada a la muestra

S= Superficie en la cual se aplica la fuerza

El estado de deformación es conocido, ya que las deformaciones radial y axial son:

0; r ah

hε ε Δ

= = (4.19)

Siendo: ∆h= Variación de altura de la muestra ensayada

h = Altura de la muestra ensayada

Equivale a decir que dos deformaciones principales son nulas y que el drenaje de

agua en la dirección horizontal está impedido, de forma que tanto la deformación como

el drenaje son unidimensionales. Este estado unidimensional de compresión tiene una

correspondencia directa con lo que sucede en el centro de la escombrera de residuos

mineros de la población de Súria. A medida que los residuos se van depositando, se

comprimen por el peso del material superior y, debido a la simetría, no hay

deformación lateral, con lo que el estado tensional corresponde en mayor medida al

del ensayo edométrico.

La deformación volumétrica, debida a la pérdida de fluido se expresa como:

0/(1 )vvol e eε ε= = −Δ + (4.20)

donde el índice de poros vale, e= (Hi-Hs)/Hs (Hi es la altura de la muestra, Hs es la

altura del mineral y e0 es el índice de poros inicial).


98

Consolidación secundaria

Después de la consolidación primaria, se continúan midiendo deformaciones bajo

tensión efectiva constante (o casi constante, pero como la variación de las presiones

es tan pequeña se considera que la tensión efectiva es constante). Dibujando la curva

asiento-log (tiempo) corresponde a las dos consolidaciones, ver Anejo 3, vemos como

después de la primaria se produce un cambio fuerte de pendiente, que se estima como

el inicio de la secundaria.

De ésta manera se define la pendiente de la curva como su velocidad de consolidación

secundaria.

Las muestras ensayadas en esta tesina pertenecen al sondeo S1 muestra TP1 y S1

muestra TP10, realizado sobre los residuos mineros de Súria. (Ver mapa topográfico

de la escombrera, Capítulo 3), con una profundidad aproximadamente de 6,15 m y

65,90 m respectivamente. Su composición principal es de NaCl, con un peso

específico de 2,20 gr/cm3 a 2,24 gr/cm3 y una concentración media de 0,36 gr sal/gr de

agua a 20ºC aproximadamente. Las muestras se machacaron hasta conseguir un

material granular como se puede ver en la Figura 4.33 adjunta. El material fue

convertido en granos, con una maza de goma para no romper su estructura cristalina,

de esta manera se pudieron construir las muestras finales dentro de las células

edométricas.

Figura 4.33.- Muestra ensayada en el ensayo edométrico.

La cantidad de agua que hay en el material salino es difícil de medir ya que las

partículas salinas son altamente hidrófilas, su estructura acepta el agua, que es

absorbida del ambiente, por lo que, se ha de tener especial cuidado en la preparación

de la muestra.


99

Equipo de ensayo

Al tratarse de un material muy corrosivo, y un ensayo largo de asentamiento en el

tiempo las células edométricas convencionales fueron modificadas para permitir la

fabricación de las muestras dentro de dichas células. El acero del que están

compuestas las células edométricas se trata de un acero inoxidable Durinox-25 (25%

contenido en Cr). (Chumbe, (1996)).

Estas modificaciones de célula permiten realizar el ensayo de las dos muestras S1TP1

y S2TP10, en uno, es decir, una célula encima de la otra, con lo que se consigue la

misma intensidad y duración de la carga aplicada a las dos muestras. La Figura 4.34,

se muestra las dos células edométricas y el interior de una de las dos células antes del

inicio del ensayo.

Figura 4.34.- a) Bancada con las dos células edométricas b) Interior de unas de las dos células

con la muestra salina, antes del inicio el ensayo.

En la base y cabezal de cada célula existen unos orificios que conectan los extremos

de las muestras con el exterior a través de unas placas porosas.

Para suministrar confinamiento a la muestra y permitir también el paso libre de fluido

de fuera a la muestra (Ver Figura 4.35), se han empleado discos de acero, que nos

sirven de placas porosas, tienen una obertura entre 15-20 micras entre disco y disco.

El Øexterior de una de las muestras es de 52,1mm y Øexterior de la otra es de 50,9mm.

Durante el ensayo las muestras se mantienen saturadas con salmuera y se mide la

deformación y la permeabilidad de las dos sales compactadas y saturadas.

a) b)


100

Figura 4.35.- Colocación del filtro de acero sobre la pastilla de sal.

Preparación de la muestra

Las muestras como se ha dicho anteriormente, fueron disgregadas para poder ser

fabricadas en el interior de las células edométricas.

En la célula se colocan dos filtros, uno encima de la muestra y otro debajo de la

misma. En la Figura 4.35, se observa el filtro que se ha colocado en la parte superior

de la muestra.

La superficie interior de la célula es recubierta con una capa de lubricante, para una

mayor comodidad en el momento de colocar los filtros dentro de la célula y también

para reducir la fricción lateral entre la muestra y el interior de la célula del edómetro

durante la compactación. En la Figura 4.36 se muestra el estado final de las pastillas

una vez realizado el ensayo edométrico.

Figura 4.36.- Estado final de las pastillas al final del ensayo edométrico. a) S1TP1 b) S1TP10.

El pistón es insertado a continuación en la restante longitud de la célula. (ver Figura

4.37). Una vez montada la muestra, una en cada célula, se monta el circuito tal y como

a) b)


101

se muestra en la Figura 4.38. Posteriormente las muestras fueron inundadas de

salmuera quedando saturadas antes del inicio del ensayo edométrico.

Figura 4.37.- Detalle de la célula edométrica.

Nº Pieza 8 Filtro de Anillos (Apertura 15-20 micras)7 Muestra de sal 6 Disco perforado (filtro) 5 Soporte micrómetro 4 Soporte palpador micrómetro 3 Pistón 2 Vaso 1 Base

Tabla 4.15.- Piezas de las que se compone la célula edométrica.


102

Grifo

Filtro de sal

Capturador de burbujas

Permeámetros

Células Edométricas

Nivel de salmuera constante

Figura 4.38.- Esquema propuesto para la saturación de las muestras S1TP1 y S1TP10 y la

medición de la permeabilidad de las mismas antes y después del ensayo edométrico.

Realización del Ensayo Edométrico

El ensayo edométrico, como hemos comentado en la introducción del mismo, trata de

recoger el desplazamiento - compactación de la sal aplicando una fuerza axial.

La fuerza fue constante para cada escalón de carga, los cuales, fueron de: 0,05 - 0,2 -

0,5 - 1,5 MPa, durante 1 semana, 3 semanas, 2 semanas y 2 semanas

respectivamente. Mientras, los desplazamientos fueron recogidos en función del

tiempo, mediante micrómetro mecánico graduado con un error estimado entre una y

dos micras aproximadamente.


103

Cuando el desplazamiento era prácticamente nulo o nulo en el tiempo, la nueva carga

axial fue aplicada a las muestras y los nuevos desplazamientos son recogidos hasta

que la deformación debido a la fluencia versus tiempo queda caracterizada.

Durante la primera hora después de cada incremento de fuerza, la deformación se lee

en cortos periodos de tiempo (de cada segundo a cada minuto) acabando en tiempos

más largos de horas.

Después las muestras son descargadas, en ciclos de descarga de: 0,2 – 0,02 – 0

MPa. Se miden cuidadosamente sus dimensiones finales, se secan en el horno a

110ºC durante 24 horas y se pesan una vez secas para calcular la relación de vacíos

final.

Resultados

Los resultados del ensayo son representados mediante gráficos asiento (mm) - tiempo

(s), como se puede observar en el Anejo 2. En este Anejo se muestran los asientos

experimentados por las dos muestras ensayadas. También se dibuja la deformación

vertical producida en el tiempo a lo largo del ensayo edométrico (Figura 4.39) y la

variación del índice de poros – tiempo, para cada escalón de carga (Figura 4.40).

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (días)

Def

orm

ació

n V

ertic

al (%

)

S1TP1

S1TP10

Figura 4.39.- Curvas de deformación en el tiempo en términos de deformación volumétricas

bajo condiciones edométricas.

La Figura 4.39, representa la deformación volumétrica en tanto por ciento, debido a las

cargas aplicadas. Para la muestra S1TP1 la variación volumétrica producida es de un

0,2 Mpa

0,5 Mpa 1,5 Mpa

0,05 Mpa


104

26%, en cambio para la muestra S1TP10 la variación volumétrica producida es de un

30,5%. De los resultados de estos ensayos se desprende que los valores de

deformación volumétrica en la escombrera pueden ser importantes a lo largo del

tiempo.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (días)

Indi

ce d

e po

ros

(e)

S1TP1

S1TP10

Figura 4.40.- Evolución del índice de poros con el tiempo en los ensayos edométricos

realizados sobre las muestras S1TP1 y S1TP10.

En la Figura 4.40 podemos apreciar el cambio del índice de poros en el tiempo. En el

caso de la muestra S1TP1 el valor inicial del índice de poros es de 0,91 y va variando

para cada escalón de carga realizado, hasta un valor final de 0,41. En el caso de la

muestra S1TP10, el valor inicial del índice de poros es de 0,75 y va variando hasta un

valor final de 0,21.

La relación entre el índice de poros medidos al final de cada escalón de carga y la

tensión vertical se incluye en la Figura 4.41. De los resultados de estos ensayos se

desprende que los valores de la deformación volumétrica en la escombrera pueden ser

importantes a lo largo del tiempo.

0,05 MPa

0,2 MPa

0,5 MPa

1,5 MPa


105

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0,001 0,01 0,1 1 10Carga vertical (Mpa)

índi

ce d

e po

ros

(e)

S1TP1(final escalón)

S1TP10 (finalescalón)S1TP1(datos)

S1TP10(datos)

Figura 4.41.- Relación entre la carga vertical aplicada y el índice de poros al final de

cada escalón de carga.

0,10,20,30,40,50,60,70,80,9

11,1

0,001 0,01 0,1 1 10

Carga vertical (Mpa)

índi

ce d

e po

ros

(e)

S1TP1

S1TP10

Figura 4.42.- Relación entre la carga vertical aplicada y el índice de poros al final de

cada escalón de carga.

En la Figura 4.42, que relaciona el índice de poros en función de la carga aplicada, se

observa que la deformación producida en los escalones de carga sigue una pendiente

parecida en las dos muestras. En el caso de la muestra S1TP10 la deformación es

algo mayor que en la muestra S1TP1. El material S1TP10 es más denso,

produciéndose un reajuste irreversible superior, lo que provoca una mayor

reestructuración del material en el momento de ser cargado.

En la muestra extraída a menos profundidad (S1TP1) la descarga no varía apenas en

el valor del índice de poros, para el caso (S1TP10), el índice de poros varía algo más,

aumentando del orden de 0,06. Este proceso se debe al fenómeno conocido como


106

consolidación secundaria, en el cual, el material al haberse reajustado de una manera

irreversible en el momento de carga como hemos comentado anteriormente, la alta

presión a la que ha estado sometido ha hecho que el material se disgregue dando

lugar a una granulometría distinta a la original del material. Cuando se descarga, se

siguen dando fenómenos de deformación de fluencia, de esta manera se puede

explicar que el índice de poros siga disminuyendo en el periodo de descarga, en vez

de aumentar intentando recuperar la estructura original como se daría en otro tipo de

material que no fuese salino. Para la muestra S1TP10 al ser un material más denso, la

desestructuración es mayor y por lo tanto el proceso de fluencia es mayor, por eso, en

la descarga el material el proceso es algo más acentuado.

La variación de la velocidad del cambio en el índice de poros medida en tiempos

mayores de 60 minutos a partir de la aplicación de los incrementos de carga se

muestra en las Figuras 4.43 y 4.44

1,000E-09

1,000E-08

1,000E-07

1,000E-06

1,000E-050 10 20 30 40 50 60

Tiempo (días)

Vel

ocid

ad d

e ca

mbi

o de

l índ

ice

de p

oros

(s-1

)

S1TP1

S1TP10

Figura 4.43.- Evolución de la velocidad de cambio en el índice de poros (se han eliminado los puntos correspondientes a un tiempo menor de un minuto tras la

aplicación de la carga).

0,05 MPa

0,2 MPa 0,5 MPa

1,5 MPa


107

1,00E-09

1,00E-08

1,00E-07

1,00E-06

1,00E-050,000,200,400,600,801,00

Índice de poros (e)

Vel

ocid

ad d

e ca

mbi

o de

l índ

ice

de p

oros

(s-1

)

S1TP1

S1TP10

Figura 4.44.- Tres estados de compactación versus deformación en el tiempo para las

muestras de sal S1TP1 y S1TP10.

Para la realización de las Figuras 4.43 y 4.44 se usó el método de diferencias finitas

centradas, que se usa para calcular aproximaciones numéricas a la solución de la

ecuación diferencial. Para ello, se toman valores de la función a ambos lado del punto

que queremos aproximar, en este caso, al índice de poros experimental. Tanto tm-1

como tm+1 representan un cambio de tiempo alrededor de tm, la velocidad se expresa

por medio de la siguiente expresión:

( ) ( )( )11

11

*2 −+

−+

−−

=∂∂

mm

mm

tttftf

tf

(4.21)

En las Figuras 4.43 y 4.44, para cada incremento de tensión vertical se diferencian tres

etapas de deformación por compactación para las dos muestras salinas S1TP1 y

S1TP10.

En la Figura 4.44, el primer estado de deformación corresponde al inicio de cada

nuevo escalón de carga, las deformaciones son debidas esencialmente al

reorganización de partículas. El cambio de velocidad del índice de poros es muy

rápido variando de 3*10-6 a 3*10-7 s-1 con una duración aproximada de media hora a

dos horas después del incremento de cada carga.

El segundo estado de deformación corresponde a una velocidad de cambio en el

índice de poros con una pendiente constante y mucho más suave, la velocidad de

0,05 MPa

0,2 MPa

0,5 MPa

1,5 MPa

0,05 MPa 0,2 MPa

0,5 MPa

1,5 MPa


108

cambio del índice de poros se estabiliza, mientras la deformación sigue aumentando,

por lo que, el cambio de velocidad del índice de poros es menos acentuado y la

duración de esta etapa es mayor.

S1TP1 S1TP10

Veloc.de cambio

del e Veloc.de cambio

del e

índice de poros índice de poros 1er escalón de

carga 3*10-7- 1*10-7 0,85-0,75 --- ---

2o escalón de carga 3*10-7- 4*10-8 0,75-0,60 3*10-7- 3*10-8 0,50-0,42

3er escalón de carga 1*10-7- 3*10-8 0,60-0,50 3*10-7- 3*10-8 0,42-0,32

4rt escalón de carga 2*10-7- 7*10-8 0,50-0,42 3*10-7- 3*10-8 0,32-0,22

Tabla 4.16.- Valores de la velocidad del cambio del índice de porosidad y el cambio del índice

de porosidad para cada escalón de carga de las muestras S1TP1 y S1TP10.

De acuerdo con la Tabla 4.16 se ve que para cada muestra y incremento de tensión

vertical, los valores de la velocidad de cambio del índice de poros son muy similares,

variando entre: 3*10-7 y 7*10-8 s-1 para la muestra S1TP1, y entre 3*10-7 y 3*10-8 para

la muestra S1TP10.

En este segundo estado, las deformaciones se deben esencialmente a la disolución de

las partículas, aunque el medio esté saturado. El mecanismo de disolución es

independiente de la tensión vertical, por eso la velocidad de cambio del índice de

poros en esta etapa es muy similar para todos los incrementos de tensión vertical y

para las dos muestras.

El tercer estado de deformación corresponde a una velocidad de cambio en el índice

de poros baja, tanto para la muestra S1TP1 como para la muestra S1TP10, de 3*10-8 a

1*10-8 (s-1). Es un estado de deformación lenta, donde el índice de poros cambia

alcanzando los valores más bajos. Medidas de la Permeabilidad

Se realizan dos ensayos de permeabilidad para cada una de las muestras S1TP1 y

S1TP10. Un primer ensayo de permeabilidad, antes de la realización del ensayo

edométrico en cada una de las muestras y una segunda medida de la permeabilidad a

la finalización del mismo ensayo.

Para poder realizar este ensayo de permeabilidad se ha dispuesto de dos buretas

portátiles con lecturas decrecientes (ver Figura 4.45). Una bureta de diámetro igual a


109

3,5 mm y otra de diámetro igual a 11 mm. El tubo de diámetro mayor es utilizado para

la muestra S1TP1 y el tubo de diámetro menor es utilizado para la muestra S1TP10.

Durante el proceso de medida de la permeabilidad se tiene especial cuidado en que la

muestra se encuentre totalmente saturada. Si la muestra no se encuentra totalmente

saturada la medida de la permeabilidad podría ser errónea debido a una posible

alteración de la muestra ensayada, dándose procesos de disolución, o recristalización

de la salmuera introducida en la muestra.

En la Figura 4.48 se observa que para las dos muestras ensayadas el valor de la

permeabilidad disminuye a medida que el índice de poros también disminuye. Las

muestras al final del ensayo edométrico están más compactadas y la permeabilidad es

más baja del orden de 10-6(cm/s). La relación entre la permeabilidad en K(cm/s) y en K

(m2) es la siguiente: 1(cm/s)=109(m2), de esta manera:

ENSAYO e k (cm/s) k (m2)

Antes del ensayo

edométrico 0,91 1,24*10-4 1,24*10-13 S

1TP1 Después del ensayo

edométrico 0,40 5,29*10-6 5,29*10-15

Antes del ensayo

edométrico 0,75 4,81*10-4 4,81*10-13 S

1TP10

Después del ensayo

edométrico 0,15 2,12*10-6 2,12*10-15

Tabla 4.17.- Relación de permeabilidades de las muestras S1TP1 y S1TP10 antes y después

del ensayo edométrico.


110

. Figura 4.45.- Buretas portátiles utilizadas para medir la permeabilidad de las muestras S1TP1 y

S1TP10. También cabe decir, que el agua disuelve superficialmente la escombrera de sal pero

penetra poco dando permeabilidades bajas como hemos visto del orden de 10-4 (cm/s)

a pocos metros de profundidad llegando a ser del orden de 10-6 (cm/s) para

profundidades cercanas a los 65 metros.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 50 100 150 200

Tiempo (s)

ln (

h 0/h

1)

Permeabilidad antesensayo S1TP1Permeabilidades antesensayo S1TP10

Figura 4.46.- Medidas de la permeabilidad para las muestras S1TP1 y S1TP10, antes de

realizar el ensayo edométrico.


110

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1000 2000 3000 4000

Tiempo (s)

ln (h

0/h 1

)Permeabilidad despuésensayo S1TP1Permeabilidades despuésensayo S1TP10

Figura 4.47.- Medidas de la permeabilidad para las muestras S1TP1 y S1TP10, después de

realizar el ensayo edométrico.


111

En la Tabla 4.18, se relacionan las permeabilidades extraídas por Chumbe en su tesis

(1996) y las permeabilidades extraídas de las muestras S1TP1 y S1TP10 de Súria.

ENSAYO e K(m2)

Al inicio del ensayo

edométrico 0,37 9,25*10-13 112 µm

Al final del ensayo

edométrico 0,17 5,96*10-15


edométrico 0,41 5,91*10-13 325 µm

Al final del ensayo

edométrico 0,10 1,53*10-16


edométrico 0,42 3,26*10-13 970µm

Al final del ensayo

edométrico 0,14 2,78*10-16

Antes del ensayo

edométrico 0,91 1,24*10-13 S

1TP1 Después del ensayo

edométrico 0,40 5,29*10-15

Antes del ensayo

edométrico 0,75 4,81*10-13 S

1TP10

Después del ensayo

edométrico 0,15 2,12*10-15

Tabla 4.18.- Relación de permeabilidades entre las muestras ensayadas por Chumbe (1996) y

las muestras ensayadas en esta tesina procedentes de Súria, antes y después del ensayo

edométrico.


112

1,00E-17

1,00E-16

1,00E-15

1,00E-14

1,00E-13

1,00E-12

1,00E-1100,20,40,60,81

Indice de poros

Per

mea

bilid

ad (m

2 )

112 Micras(Chumbe)325 Micras(Chumbe)970 Micras(Chumbe)S1TP1

S1TP10

Figura 4.48.- Medida de la permeabilidad en muestras de sal de diferentes tamaños de grano, a lo largo de los ensayos edométricos realizados en la tesis doctoral de (Chumbe, Dociteo et al. (1996)) y permeabilidades en función del índice de poros de las muestras S1TP1 y S1TP10

antes y después del ensayo edométrico.

A la vista de los resultados, y comparándolos con los resultados obtenidos para las

muestras salinas de la escombrera de Súria, podemos observar que tanto para la

muestra ensayada S1TP1 como para la muestra S1TP10, los valores de la

permeabilidad se ajustan a los valores de permeabilidad propuestos por Chumbe

(1996) en su tesis doctoral aunque con índices de poros algo menores. Las muestras

utilizadas en la tesis doctoral de Chumbe (1996) corresponden a muestras salinas de

la Formación Cardona, la misma formación a las que pertenecen las muestras S1TP1

y S1TP10 de Súria, tan solo a unos 10 kilómetros aproximadamente de distancia. Si

comparamos los datos de índice de poros, vemos que las muestras procedentes de

Súria, para una permeabilidad similar a las muestras de Cardona, son más porosas.

Para el caso, de las muestras ensayadas por Chumbe (1996), la porosidad inicial para

todos los tamaños de grano analizados toma valores entre 0,42 a 0,37 con una

permeabilidad entre 9,25*10-13 a 3,26*10-13 m2. Para el caso de las muestras de Súria la

porosidad inicial es mayor pero su permeabilidad se asemeja a los datos de

permeabilidad obtenidos por Chumbe, de 4,81*10-13 a 1,24*10-13 m2.


113

4.4 Ensayos sobre muestras de terreno natural

4.4.1 Ensayo de Compresión Simple Para las muestras de roca de los sondeos S2TP11, S3MI1, TP1, TP2, TP4, TP5, TP7,

se ha utilizado la prensa electromecánica IBERTEST, Mod. Stib-300/W, de 30 Tn (300

KN) de capacidad.

La velocidad de la prensa que se ha estimado ha sido de v= 0,5 mm/min, con un

intervalo de adquisición de datos de 5 segundos.

Para la realización de dicho ensayo se ha incorporado una protección metálica a la

máquina, rodeando la muestra a ensayar, ya que el material mayoritariamente era

rocoso, formado por: lutitas, margas y calizas principalmente, material, el cual, podía

ser expulsado una vez rompiese. En la Figura 4.49, se muestra la prensa utilizada y

los accesorios de protección.

Procedimiento

La metodología de los ensayos de compresión simple fue seguida de la Norma UNE

22-950-90 "Propiedades mecánicas de las rocas. Ensayos para la determinación de la

resistencia”.

Se han realizado 7 ensayos de compresión simple sobre probetas de unos 64 mm de

diámetro y 130 mm de altura aproximadamente procedentes de muestras (1 inalterada

y 6 parafinadas) extraídas del sondeo S2 y del sondeo S3.


Se colocan las muestras en la prensa de tal manera que queden centradas en la

pletina inferior. Se ajusta la pletina superior cuidadosamente de forma que apenas

haga contacto con la muestra. Se lleva a cero el indicador de deformación y

seguidamente se aplica la carga de tal manera que se produzca deformación axial a

una velocidad de v= 0,5 mm/min. Se registran los valores de carga y deformación a

intervalos de 1 segundo, suficientes para definir la curva esfuerzo-deformación. Se

continúa aplicando la carga hasta que los valores de carga decrezcan al aumentar la

deformación o hasta que llegue a la carga máxima que puede ejercer el anillo de la

prensa (30Tn).

Adicionalmente se determinó el contenido de humedad pesando las muestras o cortes

representativos de ellas después de realizar el ensayo de compresión simple. Los


114

datos y resultados de estos ensayos se han recogido en las hojas de ensayo del Anejo

4.

Figura 4.49.- Equipo de Compresión Simple. Prensa Ibertest de 30 Tn de capacidad y

malla protectora de muestras.


continuación en el siguiente cuadro:

MUESTRA PROFUNDIDAD MASA (g)

DIÁMETRO (mm)

ALTURA (mm)

DENSIDAD (gr/cm3)

S2TP11 entre 59,85 - 60,15 891,70 63,3 129,6 2,19 S3MI1 entre 2,00 - 2,55 983,27 69,0 140,0 1,88 S3TP1 entre 4,25 - 4,55 1528,19 74,4 158,8 2,21 S3TP2 entre 8,15 - 8,40 1107,79 62,7 141,1 2,54 S3TP4 entre 17,45 - 17,75 1137,99 63,2 137,7 2,63 S3TP5 entre 22,45 - 22,70 1090,93 62,9 136,4 2,57 S3TP7 entre 32,00 - 32,30 1121,86 63,0 138,0 2,61

Tabla 4.19.- Características físicas y geomecánicas de las muestras de escombrera ensayadas a CS.

Resultados

En la Tabla 4.20, se ve que la humedad va cambiando según el material que se va

ensayando. La humedad más baja corresponde a muestras de material calizo, con

densidades altas del orden de 2,63 gr/cm3, mientras que las humedades más altas


115

corresponden a probetas más superficiales de carácter lutitico con una densidad

natural más baja alrededor de 2 g/cm3. Los valores intermedios corresponden a

muestras de areniscas.

PROFUNDIDAD MATERIAL RESISTENCIA HUMEDAD DENSIDAD DENSIDADMEDIA (m) COMPRESIÓN NATURAL SECA

MUESTRA

(MPa) (%) (g/cm3) (g/cm3) S2-TP11 60 Marga 0,69 13,36 2,19 1,93 S3-MI1 2,28 Lutitas 0,032 8,02 2,03 1,89 S3-TP1 4,40 Lutitas 0,45 14,48 2,21 1,93 S3-TP2 8,28 Arenisca+Lutita 6,36 2,85 2,54 2,47 S3-TP4 17,60 Caliza 32,18 0,77 2,63 2,61 S3-TP5 22,58 Lutitas 10,51 2,96 2,57 2,50 S3-TP7 32,15 Arenisca 14,91 2,44 2,61 2,55

Tabla 4.20- Resultados de los ensayos de compresión simple sobre las muestras de

terreno natural de la zona de la escombrera de Súria.

Las Figuras 4.50 y 4.51 muestran la resistencia a compresión simple en función de la

densidad seca y la humedad. La muestra de caliza alcanza valores de resistencia a

compresión mayor que el resto de muestras, como también en los valores de

densidad, que son más altos. La humedad en las muestras de caliza refleja los valores

más bajos que el resto de muestras de otros materiales.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7

Densidad seca (g/cm3)

Res

iste

ncia

a c

ompr

esió

n si

mpl

e (M

pa) Marga

LutitasAreniscasCaliza

Figura 4.50.- Relación entre la densidad seca y la resistencia a compresión simple de las

muestras ensayadas del área se Súria.


116

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Humedad (%)

Res

iste

ncia

a c

ompr

esió

n si

mpl

e (M

pa)

MargaLutitasAreniscasCaliza

Figura 4.51.- Relación entre la humedad y la resistencia a compresión simple de las muestras

ensayadas del área de Súria.

4.4.2 Límites de Atterberg Se trata en realidad de dos ensayos de laboratorio, el de “Determinación del límite

líquido de un suelo por el método de la cuchara de Casagrande- UNE 103103-94” y el

de “Determinación del límite plástico de un suelo- UNE 103104-94”. Mediante estos

dos ensayos se determinarán las propiedades plásticas del terreno permitiendo

conocer su límite líquido, su límite plástico y su índice de plasticidad.

Se han realizado la determinación de los límites de Atterberg de dos muestras

relativamente superficiales pertenecientes al sondeo S3. En la Figura 4.52, se observa

las muestras ensayadas. Los resultados se detallan en la Tabla 4.22.


117

Figura 4.52.- Muestras S3-MI1 y S3-TP1 utilizadas para la determinación de los límites de

Atterberg

Muestra Profundidad Límite Líquido Límite Plástico Índice de (m) Plasticidad

S3-MI1 2,00-2,55 25,09 16,03 9,06 S3-TP1 4,25-4,55 44,58 15,81 28,77

Tabla 4.21.- Resultados de la determinación de los límites de Atterberg en muestras del sondeo

S3 en Súria.

Pese a la proximidad entre las dos muestras puede observarse una variación

importante en su plasticidad, lo que indica que proceden de materiales diferentes. La

muestra más superficial posee una plasticidad más baja, mientras que la muestra más

profunda es bastante más plástica. La Figura 4.53 muestra la situación de las

muestras ensayadas en la Carta de Casagrande. Puede constatarse que las muestras

de Súria se clasifican como arcillas de bajo límite plástico (CL).


118

0 10 20 30 40 50 60Límite líquido, WL (%)

0

5

10

15

20

25

30

Índi

ce d

e pl

astic

idad

, IP

(%)

S3MI1S3TP1

CL

ML & OL MH & OH

CL - ML

Figura 4.53.- Situación en la carta de Casagrande de las muestras S3-MI1 y S3-TP1.

En el Anejo 3, se puede observar los datos obtenidos en el laboratorio, para la

obtención, tanto del límite líquido (wL) como del límite plástico (wp) de las muestras

ensayadas. (S3-MI1 y S3-TP1).


119

4.4.3 Ensayo de corte anular Procedimiento Se ha sometido a las muestras más arcillosas a un ensayo de resistencia mediante el

corte anular a fin de conocer la resistencia residual de las mismas.

Se han ensayado 2 muestras pertenecientes al sondeo S3, con el ensayo de corte

anular. El equipo de corte utilizado se muestra en la Figura 4.54.

Figura 4.54.- Equipo de corte utilizado en los ensayos de corte anular sobre muestras

remoldeadas.

Metodología del ensayo El ensayo se realiza a partir de las muestras S3MI1 y S3TP1 remoldeadas. Para ello

se ha amasado el material arcilloso con una humedad algo inferior a su límite líquido.

Las muestras son colocadas en el equipo con un espesor aproximado de 5 mm, un

radio interior de 35 mm y un radio exterior de 50 mm. En la muestra remoldeada

aplicamos una carga vertical de 50 KPa para la muestra S3MI1 y 50, 100 y 200 KPa

de tensión vertical para la muestra S3TP1. Una vez finalizado el proceso de

consolidación durante 24 horas se aplicará un desplazamiento de rotación a 0,12º/min

que genera una tensión tangencial mesurable mediante los anillos de carga, con un

desplazamiento acumulado al girar del orden de 100 mm. Este desplazamiento se

alcanza en un periodo del orden de 12 horas. Dado el escaso espesor de la muestra y

la baja velocidad de desplazamiento las condiciones del ensayo pueden considerarse

como drenadas.

Para la medida la fuerza que genera la rotación se dispone de un equipo automatizado

en base a dos anillos dinamómetros y su LDVT correspondiente.

La tensión tangencial media ζm se calcula a partir del momento (M) según la expresión:


120

3 32 1

32 ( )m

Mr r

τπ

=−

(4.22)

Siendo: r1= radio exterior de la muestra

r2= radio interior de la muestra

Dado que la muestra está totalmente remoldeada la resistencia obtenida corresponde

a la resistencia residual que se obtendría una vez iniciado un deslizamiento que

implique la rotura de la estructura inicial del terreno. Hay que tener presente que aún

cuando los materiales arcillosos de la zona puedan presentar una cierta compacidad,

los movimientos asociados a plegamientos y a la formación del domo salino de Súria

pueden haber originado desplazamientos diferenciales en la masa de lutitas y de

margas. Además de la formación de fracturas, estos movimientos pueden haber

formado planos de deslizamiento en los que la resistencia al corte del terreno tiende a

estar controlada por la resistencia residual (Alonso, 2005).

Resultados

En la Tabla 4.23 se recogen los resultados obtenidos en las muestras ensayadas.

Vemos que se ha encontrado un valor del ángulo de rozamiento residual de 16,7º para

la muestra S3TP1 y de 27,5º para la muestra S3MI1. Esta última muestra, por tanto,

presenta una composición mineralógica menos plástica, como se ha visto

anteriormente. Las curvas desplazamiento-tensión y sus envolventes de rotura de los

ensayos de corte anular obtenidas se muestran en el Anejo 4.

Muestra Tipo de Tensión Tensión de Ángulo de Material normal corte rozamiento

(Kpa) (KPa) residual (º) S3-MI1 Lutita 50 26 27,5 50 20,8 S3-TP1 Lutita 100 32 16,7 200 57,4

Tabla 4.22.- Resultados de los ensayos de corte anular sobre muestras de la zona de Súria.


121

4.5 Ensayos mecánicos sobre lodos

4.5.1 Ensayos de identificación y estado Las muestras de lodo estaban saturadas previamente, teniendo una humedad muy

elevada, la cual, no varía significativamente con la profundidad. En la Tabla 4.24, se

muestran las medidas de humedad y densidad de las muestras de lodo ensayadas. A

partir de estas medidas y considerando un peso específico de las partículas de 2,32

g/cm3 se ha calculado la porosidad y grado de saturación de las muestras. En la

muestra S14MI3 se ha obtenido el valor de la densidad y de la porosidad a partir de la

humedad considerando que el grado de saturación de la muestra es la unidad, por

esta razón y a la vista de los grados de saturación obtenidos en las otras muestras,

muy probablemente, en esta muestra la porosidad real sea más baja y la densidad

más alta.

Muestra Profundidad ωw ωsalm Densidad Densidad Porosidad Grado (m) aparente seca Saturación (g/cm3) (g/cm3)

S13-MI1 2,45 34,31 46,66 1,97 1,34 0,42 1,24 S14-MI1 2,30 38,06 51,76 1,96 1,29 0,44 1,26 S14-MI2 6,70 38,22 51,97 1,80 1,19 1,49 1,05 S14-MI3 11,70 41,73 56,75 1,73 1,11 0,52 1,00

Tabla 4.23.- Humedades, densidades, porosidad y grado de saturación de las muestras

de lodo.

En la Figura 4.55 se representa la densidad en función a la profundidad, se puede

observar como la densidad en el caso de los lodos es superior a la densidad del

material salino. En el apartado anterior hemos comprobado como las muestras salinas

con contenido de lodos la densidad aumentaba de valor.

En la Figura 4.56, se muestra la humedad obtenida en las muestras de lodo. La Figura

4.57 y la Figura 4.58 muestran los valores calculados de la porosidad y del grado de

saturación.


122

0

2

4

6

8

10

12

14

1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2

Densidad (g/cm3)

Pro

fund

idad

(m)

Figura 4.55.- Valores de la densidad natural de los lodos a diferentes profundidades.

0

2

4

6

8

10

12

14

40 45 50 55 60

Humedad (peso salmuera/peso de sólidos) (%)

Pro

fund

idad

(m)

Figura 4.56.- Valores de la humedad (peso salmuera/peso partículas sólidas) de los

lodos a diferentes profundidades.


123

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Porosidad

Pro

fund

idad

(m)

Figura 4.57.- Valores de la porosidad de los lodos a diferentes profundidades.

0

2

4

6

8

10

12

14

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Grado de Saturación

Pro

fund

idad

(m)

Figura 4.58.- Valores del grado de saturación de los lodos a diferentes profundidades.


124

4.5.2 Ensayos de compresión simple Procedimiento

La metodología de los ensayos de compresión simple fue seguida de la Norma UNE

103400-93 "Compresión simple en muestras de suelo", para definir unas pautas de

ensayo.

Se han realizado 3 ensayos de compresión simple sobre probetas de lodo procedentes

del sondeo S13 (1 muestras) y del sondeo S14 (2 muestras). En la muestra (S14MI3)

no ha sido posible realizar el ensayo, ya que la muestra era incapaz de aguantar su

propio peso y se desmoronaba. Ante este hecho, se optó por ensayar, parte de la

muestra que aguantaba sin romperse un peso de 0,525 Kp y su resistencia a

compresión simple se ha estimado entre 1,3 y 4 KPa. En las Tabla 4.25 se muestra un

valor medio de 2,7 KPa.


Las muestras S13 MI1, S14 MI1 y S14MI2, se utilizó el aparato triaxial fabricado por la

empresa GDS Instruments Limited (Figura 4.59). En él se realizó un ensayo de

compresión no drenado, cargando las muestras hasta su rotura, sin tener control sobre

la velocidad.

Figura 4.59.- Equipo triaxial fabricado por la empresa GDS Instruments Limited.


125

Adicionalmente se determinó el contenido de humedad pesando las muestras o cortes

representativos de ellas a continuación de realizar el ensayo de compresión simple.

Los datos y resultados de estos ensayos se han recogido en las hojas de ensayo del

Anejo 4.


continuación en la Tabla 4.24:

Resultados para las muestras de lodo

Muestra Profundidad ωsalm Densidad Densidad Porosidad Resistencia aparente seca Compresión

(m) (%) (g/cm3) (g/cm3) (MPa) S13 MI1 2,30-2,60 46,66 2,45 1,97 0,42 0,034 S14 MI1 2,00-2,60 51,76 2,30 1,96 0,44 0,044 S14 MI2 6,40-7,00 51,97 6,70 1,19 0,49 0,026 S14 MI3 11,40-12,00 56,75 11,70 1,11 0,52 0,0027

Tabla 4.24.- Resultados de los ensayos de compresión simple sobre las muestras de

lodo de la zona de la escombrera de Súria.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Resistencia a compresión simple (MPa)

Pro

fund

idad

(m)

Figura 4.60.- Valores de la resistencia a compresión simple de las muestras de lodo.


126

0

2

4

6

8

10

12

14

40 45 50 55 60


Pro

fund

idad

(m)

Figura 4.61.- Valores de la humedad de las muestras de lodo.

00,0050,01

0,0150,02

0,0250,03

0,0350,04

0,0450,05

40 45 50 55 60


Res

iste

ncia

a c

ompr

esió

n si

mpl

e (M

pa)

Figura 4.62.- Relación entre la humedad y la resistencia a compresión en las muestras

de lodo de Súria.

Análisis de resultados

En contraposición a las muestras ensayadas de material salino, puede observarse que

los materiales de la balsa de lodos de Súria, las muestras más superficiales son las

que poseen una mayor resistencia y una menor humedad (Figura 4.60 y 4.61). Este

resultado es relevante, y puede ser consecuencia del proceso de consolidación.


127

Mientras que en materiales más profundos la consolidación no está finalizada, en los

lodos más superficiales que están más cerca de la superficie de drenaje, el proceso de

consolidación es más rápido y por tanto su humedad es menor y su resistencia mayor-

En la Figura 4.62 se presenta la relación entre la resistencia a compresión simple y la

humedad. La resistencia a compresión debería estar directamente ligada al valor de la

humedad de las muestras, sin embargo los resultados muestran una cierta dispersión.

Este hecho se puede explicar debido a la alteración de las muestras, en parte por los

bajos valores de la resistencia del lodo.

capÍtulo 4 trabajos geotÉcnicos de laboratorio

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