efecto meteorización

REVISTA Universidad EAFIT. Vol. 40. No. 133 | enero, febrero, marzo 2004120

Efecto de la meteorizaciónen las propiedades dinámicas de un Suelo Gabróico

ResumenEl presente trabajo muestra la variación del módulo de rigidez a cortante(G) y de la fracción de amortiguamiento (β) de acuerdo con el nivel deconfinamiento y el grado de meteorización valorado en campo en unperfil de suelo compuesto fundamentalmente por un saprolito de gabro,perteneciente a la unidad Gabro de San Diego que aflora en el valle deAburrá al oriente de la ciudad de Medellín (Colombia). Para dicho estudiose utilizaron muestras inalteradas extraídas de un pozo de pruebaexcavado manualmente a 18,0 m de profundidad, las cuales se evaluaronmediante pruebas de compresión triaxial cíclica y columna resonanteen condición no drenada. Finalmente, se concluye el estudio ejecutandoun análisis de la respuesta sísmica del terreno mediante un modelo depropagación unidimensional de ondas.

Palabras ClavesSuelos tropicalesSaprolitoGabroFracción de amortiguamientoMódulo de rigidez a cortanteEspectro de respuesta

REVISTA Universidad EAFITVol. 40. No. 133. 2004. pp. 120-132

Iván Fernando Otálvaro CalleIngeniero Civil de la Universidad Nacional de Colombia. Aspirante a

Maestro en Ingeniería Geoté[email protected]

Carlos Andrés Cano MartínezMSc. En Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos. Asistente de

investigación de la Universidad [email protected]

Rodrigo Iván Osorio MoraIngeniero Civil de la Universidad de Medellín. Profesor delDepartamento de Ingeniería Civil en la Universidad EAFIT.

[email protected]

Jaime Eduardo Hincapié AguilarIngeniero Civil de la Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín

Socio y fundador de la firma JEH y Cía. [email protected]

R e c e p c i ó n : 2 0 d e e n e r o d e 2 0 0 3 I A c e p t a c i ó n : 1 0 d e s e p t i e m b r e d e 2 0 0 3

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a ciudad de Medellín se encuentrasituada en el interior de un ambientetectónico activo y complejo, el cualestá sometido, fundamentalmente, a la

amenaza de dos sismo fuentes: Viejo Caldas y elsistema de fallas intraplaca Murrí – Mutatá –Murindó, las cuales el 23 de noviembre de 1979 yel 17 y 18 de octubre de 1992 produjeron dañosconsiderables en la infraestructura de la ciudad. Estarazón, a lo cual se le suma que en los últimos veinteaños el desarrollo urbano se ha concentrado en lasladeras en el valle de Aburrá, sector donde seencuentran las condiciones de mayor complejidaddesde el punto de vista geotécnico, generan lanecesidad de caracterizar con mayor detalle elcomportamiento de los suelos bajo condicionesdinámicas con el propósito de disminuir la vulnera-bilidad ante eventos sísmicos de las construccionesciviles que se proyectan, en donde se destacan lostrabajos de zonificación en laderas ejecutados porautores como: Grupo de Sismología de Medellín –GSM – (1999), Cano y otros (2001), Arenas y García(2001), entre otros; avanzando de esta manera enel estado del conocimiento del comportamientodinámico de los diferentes perfiles geotécnicos dela ciudad de Medellín y mejorando la informaciónacerca del comportamiento de los suelos enambientes de ladera y pie de monte. No obstante,aún es escasa la información acerca de la respuestaen campo de estos suelos bajo solicitaciones queinvolucren un nivel de deformaciones superiores a

Introducción

Key WordsTropical soilsSaproliteGabbroFraction of dampingShear modulusResponse spectrum

Effect of weathering in the dynamic properties ofgabbro soil

AbstractThis work shows the variation of the shear modulus (G) and the dampingfraction (β) in accordance with the confinement level and the degree ofweathering valued in field in a soil profile made up basically by gabbrosaprolite, that belongs to the Gabbro of San Diego unit that outcrops inthe Aburra valley towards the east of the city of Medellin, (Colombia).For such study unaltered samples extracted from a manual excavation of18,0 meters were used, these were evaluated through cyclic triaxialcompression tests and resonant column in non drained condition. Finally,the study is concluded carrying out an analysis of the seismic response ofthe terrain through a uni-dimensional wave propagation model.

10-3%, orden de magnitud estimada a partir deanálisis simplificados para una amenaza de 0,2 gdefinida para Medellín por la NSR-98; por lo cualresulta razonable, como primera aproximación, esti-mar la respuesta del sitio a partir de una caracte-rización en detalle de las propiedades dinámicas decada formación de suelo bajo diferentes condiciones.

De acuerdo con lo anterior y con los resultados dezonificación y caracterización obtenidos por el GSM(1999) y por Cano, et al (2001), la Universidad EAFITejecutó una investigación con el fin de caracterizarel comportamiento tensión deformación, tanto encondiciones estáticas como dinámicas, y mejorar elnivel de detalle en lo referente a la respuesta diná-mica de los suelos de Medellín, tomando comopunto de partida el estudio de la subzona homogénea12–EP definida por Cano y otros (2001), delimitadaen la Figura 1, la cual contiene perfiles de geomate-riales, in situ y transportados, de gabro, por mediode la ejecución de un pozo de prueba excavadomanualmente y un muestreo continuo a través deéste, estudiando los efectos del nivel de confina-miento y la intensidad de meteorización. El trabajode laboratorio contempló no sólo las pruebas índiceconvencionales, como el tamaño y distribución delas partículas, los límites de consistencia, y lasrelaciones peso – volumen, sino ensayos de conteosde minerales no alterados sobre las fraccionesretenidas en la mallas No.100 y No.200; además delas pruebas mecánicas de compresión confinada,compresión triaxial, columna resonante (CR), ytriaxial cíclico (TC).

OTÁLVARO C., I.F.; CANO M., C.A.; OSORIO M., R.I.; HINCAPIÉ A., J.E. | Efecto de la meteorización...

LL


1. Clasificación

La clasificación de los materiales efectuados partiódel sistema de valoración cualitativa de las zonas eintensidades de meteorización propuesto por laOficina de Control Geotécnico de Hong Kong (1988),GCO por sus sigla en inglés, y mejorada en términosde símbolos y grupos de suelos por Cano y otros(2001b), cuya metodología identifica el tipo deformación del material parental (in situ o transpor-tado), el material parental y los rasgos heredadosal suelo, y finaliza con la valoración de la intensidadde meteorización en el perfil, la cual está basadaen la propuesta original de la GCO (1988) parasuelos tropicales originados a partir de la meteori-zación in situ de la roca, como se ve en la Figura2, el cual corresponde a un esquema zonal basado

Figura 1. Mapa de zonas y subzonas homogéneas

en el contenido de fragmentos de roca en cadazona. En el caso de los materiales consideradoscomo roca se les asigna su calidad de acuerdo auna escala de seis grados de meteorización, la cualse muestra en la Tabla 1.

2. Naturaleza de los suelos

Los horizontes de suelo evaluados corresponden atres intensidades diferentes de meteorización en elinterior de la zona de Saprolito, clasificada como PW0-30 de acuerdo con el esquema de clasificaciónpropuesto por la GCO (1988), originados a partir deun avanzado proceso de meteorización in situ derocas gabroides pertenecientes al cuerpo conocidocomo el Stock de San Diego. La roca aflorante enla zona estudiada es ígnea, maciza, masiva, de

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Figura 2. Esquema de zonación adoptado por GCO (1988)

Tabla 1. Escala de grados de meteorización, modificado de Cano y otros (2001b)

Término Descriptivo Grado Características

Suelo Residual VISuelo, meteorización completa, no aparece textura recono-cible del material original

Completamente descompuesta V Suelo que preserva la estructura y textura de la roca original

Altamente descompuesta IVApariencia de roca, meteorización profunda, se puede frag-mentar con las manos

Moderadamente descompuesta IIIRoca alterada, comienza la aparición de minerales secun-darios, se puede fragmentar con el martillo geológico

Roca con cambio de color y manchas por alteraciones,Levemente descompuesta II resistencia de roca sana, difíciles de fragmentar aun con

el martillo geológico

Fresca IRoca sana, sólo exhibe decoloración a través de lasdiscontinuidades


perfil extrayendo un total de 158 probetas entubos de pared delgada tipo Shelby, 11 bloquesinalterados de suelo, 20 muestras alteradas de bolsay un fragmento de roca. En la primera etapa delaboratorio se efectuaron pruebas índice de tamañoy distribución de partículas, límites de consistencia,contenido de humedad natural, peso específico delos sólidos y conteos de minerales no alterados, lascuales corroboraron el grado de meteorizaciónvalorado en campo mediante las pruebas cualitativasantes mencionadas; pues, por ejemplo, la tendenciade las curvas granulométricas, expuestas en laFigura 4, mostraron que para los grados IV yV la trayectoria es empinada, mientras que para losgrados II y III ésta es suave, lo cual se debe a lapresencia de algunos minerales de la roca parentalcomo se apreció en los resultados de las pruebasde conteos de minerales no alterados expuestos enla Figura 3.

grano grueso, compuesta, aproximadamente, por un45% de plagioclasa, un 54% de anfíbol y un 1% depirita. El perfil geotécnico del Pozo No.1 descrito deacuerdo con la metodología propuesta por Cano yotros (2001b), se muestra en la Figura 3.

3. Metodología de exploración yevaluación

Previa a la excavación manual del pozo de pruebase ejecutaron dos perforaciones con barreno manualde 6,0 m y 8,5 m, con el objeto de verificarla continuidad del material y la posible presencia defragmentos de roca. La exploración mediante el pozose efectuó anillando cada metro excavado hastauna profundidad de 18,0 m, que corresponde ala profundidad media del basamento rocoso para laSubzona 12–EP según Cano y otros (2001a), dondeel muestreo se efectuó de manera continua en el

Figura 3. Perfil geotécnico promedio

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La segunda etapa de laboratorio consistió en laejecución de pruebas de compresión confinada ytriaxial consolidados no drenados, las cuales seejecutaron en los suelos ubicados en la zona delperfil que presentó el contenido más bajo de mine-rales alterados. Los resultados obtenidos muestranque las tendencias de las trayectorias tensión defor-mación, mostradas en la Figura 5, exhiben algunosquiebres en la pendiente de la curva, puntos que enla representación semi-logarítmica de la curva decompresibilidad, fueron denominados por Vargas(1953) como presiones de seudo consolidación, loscuales corresponden a cambios irreversibles en laestructura del suelo (Vargas, 1953; Leuroiel yVaughan, 1990); éstos, además, en el caso de lossuelos tropicales, se pueden determinar con mayorprecisión en un gráfico a escala aritmética, como elmostrado en la Figura 5. En el caso de las pruebasde compresión triaxial CU se nota como el efectoque ejerce la presión de confinamiento afecta deforma sensible el comportamiento tensión deforma-


Figura 4. Tendencias de las curvas granulométricas

ción, como se ve en la Figura 6, sobre todo en elcaso cuando ésta tiene un alto valor (ver la tendenciacuando σ3 = 200 kPa). En general, de acuerdo conlas trayectorias de tensiones, el comportamiento delsuelo es compresivo para la presión de confinamientode 30 kPa en todas las muestras; además, elcomportamiento tensión deformación es lineal paratensiones desviadoras menores de 40 kPa, hechoque sugiere que ese nivel de confinamiento no alterala estructura del suelo el cual puede estar cercanoa la tensión lateral in situ, ya que, según Vaughany Kwan (1984), suelen ser bajos en los suelostropicales in situ.

La tercera etapa de laboratorio se concentró en laevaluación del módulo de rigidez a cortante (G) y lafracción de amortiguamiento (β), efectuando 10pruebas de columna resonante y 9 triaxiales cíclicosen probetas con el contenido natural de humedaddel suelo, las cuales presentaron grados de satura-ción entre 79% y 92%, y que fueron efectuadas en


Figura 5. Trayectorias tensión deformación en las pruebas de compresión confinada

Figura 6. Resultados obtenidos en la Prueba de Compresión Triaxial cu

(1) (2)

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muestras homólogas variando el nivel de confina-miento en tensiones efectivas 30 kPa, 100 kPa y200 kPa, llevando la muestra de menor grado demeteorización hasta una presión de 300 kPa. Lastendencias y curvas de ajuste para modelar elcomportamiento no lineal del suelo se realizaron pormedio de un ajuste de mínimos cuadrados medianteun modelo hiperbólico (Villarraga, 1987; Sanín,1999), por medio de la expresión normalizada parael módulo de rigidez expuesta como ecuación (1),donde γ es la deformación por cortante, γm es ladeformación para el 50% de G/GMAX, y a y b sonconstantes inherentes del tipo de suelo. En cuantoa la fracción de amortiguamiento se introduce βmin

para deformaciones por cortante del orden de 10-4%,diferente de cero, obteniendo la ecuación (2).

4. Tendencias de las propiedadesdinámicas

La evaluación de las propiedades físicas en lossuelos tropicales in situ presenta una serie de dificul-tades, ya que, en general, éstos son extremada-mente heterogéneos debido a que son el productode procesos de meteorización que actúan de formaaleatoria y a que la zona de fluctuación del frentehúmedo tiene una incidencia significativa en suresistencia; por tanto, su estimación debe realizarsebasada en un adecuado esquema de clasificaciónque permita diferenciar entre la “homogeneidad” delas probetas y los resultados de los ensayos.


4.1 Efecto de la presión de confinamiento

El módulo de rigidez a cortante (G) se incrementade manera no lineal con el nivel de confinamiento,similar a lo encontrado por Macari y Hoyos (1996)para diferentes suelos residuales de Puerto Rico;por otro lado, la fracción de amortiguamiento (β) sereduce conforme se incrementa la presión deconfinamiento. Ambos efectos se muestran en laFigura 7.

4.2 Efecto de la meteorización

Generalmente en los perfiles de los suelos tropicalesin situ el grado de meteorización suele disminuir conla profundidad, y a su vez la velocidad de propa-gación de ondas de corte aumenta con ésta, hechoque induce a pensar que el módulo G aumenta conla profundidad; sin embargo, en el Saprolito de gabroesto no es del todo cierto; y el efecto de la meteori-zación, aunque este disminuye con la profundidad,está más relacionado con la variación de losparámetros ante la tensión lateral efectiva, como semuestra en la Figura 8. Así, para los Saprolitos demenor grado de meteorización, II a III, se tiene uncambio sustancial en la respuesta del suelo alaumentar la presión de confinamiento, distinguién-dose dos bandas: en los grados de meteorizaciónintermedios, III a IV, se obtiene la variación conmenor dispersión, en contraste con la alta variaciónde la rigidez en los grados de meteorización másaltos IV a V.

Figura 7. Efecto de la presión de confinamiento sobre los parámetros dinámicos


El efecto combinado de la presión de confinamientoy la intensidad de meteorización sobre la rigidez acortante en las probetas de suelo, como se apreciaen la Figura 9, exhibe un comportamiento no linealy diferenciable de acuerdo con la intensidad demeteorización, según la trayectoria seguida por lasdeformaciones de acuerdo con el incremento en lapresión de confinamiento para una relación de G/Gmax = 0,5.

Figura 8. Comportamiento de la rigidez a cortante en el saprolito de gabro

Figura 9. Efectos de la presión de confinamiento y la meteorización en la rigidez

5. Influencia en la respuesta delsuelo

Definido el comportamiento, en lo referente a lareducción del módulo G y el comportamiento de lafracción de amortiguamiento con el nivel de deforma-ción β , se estimaron los efectos locales medianteel algoritmo de modos de vibración de Zeevaert(1972), para la amenaza sísmica de Medellín, cuyocoeficiente de aceleración pico efectiva es de 0,2 g

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de acuerdo con las Normas Colombianas de Diseñoy Construcción Sismo Resistente de 1998, NSR–98,con el cual se obtuvieron períodos fundamentales devibración de 0,511 s. La estimación del espectro derespuesta se efectuó con un análisis unidimensionalde ondas, mediante el programa de ordenadorProShake®, el cual evalúa la respuesta del suelocuando es sometido a la propagación de ondas decizalladura que ascienden verticalmente desde unabase rígida (ProShake, 1998), usando dos acelero-gramas sintéticos con aceleraciones máximasiguales al nivel de amenaza definido para Medellín,generados al escalar dos registros de sismos reales,como se ve en la Figura 10, el primero en Northridgede 1994, estación Topanga (señal 1) y el segundoen Medellín de 1979, estación Facultad de Minas(señal 2); obteniendo períodos fundamentales devibración del orden de 0,498 s, con una diferenciarelativa del 3% respecto al algoritmo de Zeevaert.

Las secuencias de análisis de la respuestaen superficie fueron efectuadas de acuerdo con lascondiciones topográficas y ambientales de lasubzona 12–EP; sin embargo, los espectros derespuesta generados a partir de estas tienen lassiguientes limitaciones:

• No utilizar señales reales, que tiene intrínse-camente todo espectro, y de recurrir a señalesregistradas en otras condiciones geotécnicas.

• La respuesta espectral puede no ser única en lasubzona debido a la alta heterogeneidad en lasecuencia y espesor de los horizontes de suelopresentes.

• No obstante estas limitaciones, el espectro gene-rado presenta las siguientes fortalezas:

- La exploración y modelación del suelo cuentacon alto nivel de detalle, siendo pionero en la


Figura 10. Historia de aceleraciones de entrada y respuesta del suelo


Figura 11. Espectros de respuesta para la Subzona 12 – EP para el 5% de amortiguamiento

ciudad de Medellín, por tanto, la estimación dela respuesta del terreno es compatible con lacaracterización geotécnica de los geomaterialespresentes.

− El perfil de suelo estudiado es representativopara la subzona homogénea 12–EP, de acuerdocon el perfil geotécnico promedio propuesto porCano y otros (2001a).

La forma espectral y los parámetros propuestos, asícomo la comparación con los espectros de res-

puesta conocidos es mostrada en la Figura 11. Esimportante resaltar que la forma espectral propuestapor el Grupo de Sismología de Medellín para la ZH-12 está basada en una amenaza de 0,15 g, adiferencia de este análisis que se efectúo para unaamenaza de 0,2 g; no obstante, el espectropropuesto esta un 6% por debajo de la aceleraciónmáxima propuesta para la ZH – 12.

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El comportamiento geotécnico de los suelos originados de gabro está controlado por el proceso deformación así como por la intensidad de meteorización; demostrando, nuevamente, que los suelos quepresentan meteorización de tipo químico presentes en el Valle de Aburrá deben ser estudiados con lospostulados de la geomecánica de suelos tropicales.

La forma y tendencia de la curva obtenida en el ensayo de distribución y tamaño de partículas en elinterior de una zona del esquema de clasificación de suelos tropicales es un indicativo de la intensidadde meteorización en los suelos estudiados.

El módulo de rigidez a cortante de los suelos tropicales in situ es función de la intensidad demeteorización y la presión lateral efectiva, así como del proceso de formación.

A bajas amplitudes de corte, en la prueba de columna resonante, el módulo de rigidez G seincrementa siguiendo una trayectoria no lineal conforme aumenta la tensión isotrópica efectiva.

No obstante al trabajar con una amenaza de 0,2 g, superior a la de 0,15 g utilizada para el estudio deInstrumentación y Microzonificación Sísmica del Área Urbana de Medellín (1999), la respuesta espectralresulta, en su punto máximo, un 6% menor que la propuesta para la Zona Homogéna 12.

Conclusiones


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