INFLUENCIA DE LAS FASES MINERALES Y SUS RELACIONES MICROESTRUCTURALES EN LAS TENDENCIAS DEL COMPORTMIENTO MECNICO: RESISTENCI

INFLUENCIA DE LAS FASES MINERALES Y SUS RELACIONES MICROESTRUCTURALES EN LAS TENDENCIAS DEL COMPORTAMIENTO MECNICO: RESISTENCIA Y COMPRESIBILIDAD EN SUELOS TROPICALES DEL STOCK DE SAN DIEGO

MARIA DEL MAR MESA SALGADO

JULIO CSAR SOLANO ARROYO

Trabajo dirigido de grado presentado como requisito parcial

para optar por el ttulo de Ingeniero Gelogo (a)

DirectoresJAIME EDUARDO HINCAPI AGUILAR

MARCO ANTONIO MRQUEZ GODOY

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE MINAS

ESCUELA DE GEOCIENCIAS Y MEDIO AMBIENTE

MEDELLN

2004El libro es una simple charla entre usted y nosotros. Puede usted encontrarla interesante o aburrida, torpe o apasionante; pero nuestro objeto se habr cumplido si estas pginas le dan una idea de la eterna lucha de la inventiva humana en su afn de alcanzar una comprensin ms completa de las leyes que rigen los fenmenos fsicos.

Albert Einstein y Leopold Infield.

AGRADECIMIENTOS

En estos momentos finales de la tesis tenemos mucho que agradecer a todas aquellas personas que directa o indirectamente han contribuido al desarrollo de este trabajo. Nuestros ms sinceros agradecimientos a todas ellas.

A nuestras familias, especialmente a nuestros padres y hermanos.

A Jaime Eduardo Hincapi Aguilar director del proyecto, por su entusiasmo, confianza, apoyo, quien nos alent en los momentos ms difciles y nos brind su amistad.A Marco Antonio Mrquez Godoy director del proyecto. Por sus recomendaciones y aportes.Al Doctor Peter Smart, profesor de la Universidad de Glasgow Inglaterra por su asesora, consejos durante el desarrollo del proyecto, por facilitar material bibliogrfico y quien desde tan lejos nos acompa durante nuestro recorrido.A Neimar A. Castao Pelez quien desde un principio nos brind su apoyo, por creer en nosotros, por su ayuda, por su asesora y colaboracin con el prstamo de material bibliogrfico; por su don de gente y regalarnos su amistad.

A Luis Norberto Parra y Mara Teresa Flrez, por confiar en nosotros, por facilitar los trabajos de preparacin de muestras en el laboratorio de secciones delgadas de la Facultad de Ciencias, por sus valiosos consejos y su trato especial.

A Ivn Otlvaro, por su desinteresada colaboracin en el trabajo de campo y de laboratorio, por sus aportes, colaboracin y amistad.

A Sergio Urrego, por su colaboracin y apoyo.

A Alejandro Toro, por su colaboracin en el prstamo de material bibliogrfico y asesora en el microscopio electrnico de barrido, por su amabilidad y su don de gente.

A Oswaldo Ordez Carmona, por su colaboracin en el trabajo geolgico de campo y sus constantes consejos.

A Jos Mara Jaramillo, por su colaboracin en el prstamo de equipos para el trabajo de campo.

Al Doctor Dimas Malagn, Subdirector Agrolgico del Instituto Geogrfico Agustn Codazzi (IGAC), Carlos Rojas (Instituto Geogrfico Agustn Codazzi) por su colaboracin y asesora en la preparacin de lminas delgadas de suelos.A Ral Zapata, por su colaboracin durante el desarrollo del curso Ciencia del Suelo y el prstamo de material bibliogrfico.

Escuela de Ingeniera de Antioquia, Jacqueline Espinosa Jefe del Laboratorio de Suelos, por permitir realizar los ensayos de compresin inconfinada, compactaciones estticas y el prstamo de materiales para el muestreo.

Universidad Nacional de Colombia - Medelln, Laboratorio de Microscopa Avanzada, Laboratorio de Geotecnia y Pavimentos (a nuestro laboratorista Libardo), Laboratorio de Petrografa del Carbn.Universidad Nacional de Colombia Manizales, Laboratorio de Difraccin de rayos X. Doctor Alfonso Devia y la ingeniera Yulieth Arango.A la empresa Jaime Eduardo Hincapi y CIA. Ltda., por financiar la etapa de sondeo y muestreo.RESUMENTeniendo en cuenta que en el ambiente tropical hmedo, en el cual nos encontramos, los fenmenos de meteorizacin qumica son intensos y los factores de formacin de suelos son variados la prctica de la geotecnia se vuelve algo particular. Aparece la microestructura (microfbrica y fases mineralgicas) como un elemento con una influencia significativa sobre el comportamiento geomecnico de la masa de suelo.

Para analizar las tendencias del comportamiento de los parmetros de resistencia y compresibilidad asociados a cambios microestructurales, se realizan anlisis qumicos, como la determinacin del pH y microanlisis de energas dispersas de rayos X (por medio del microscopio electrnico de barrido); y mineralgicos, como determinacin de fases minerales y sus transformaciones (por medio de microscopa ptica de luz polarizada, microscopa electrnica de barrido y difraccin de rayos X). Adems, se realizaron mediciones microscpicas de parmetros microestructurales como el tamao y distribucin del espacio poroso (por medio de la porosimetra por intrusin de mercurio), organizacin de la microfbrica (microscopa electrnica de barrido) y tamao de partculas (contador granulomtrico COULTER), en dos perfiles de meteorizacin del Stock de San Diego, en el rea urbana de la ciudad de Medelln.

El anlisis de las tendencias de los parmetros de resistencia y compresibilidad se realiz por medio de una caracterizacin geomecnica que incluy propiedades fsicas como lmites de consistencia, distribucin granulomtrica y ensayos de clasificacin convencional, de resistencia como corte directo, compresin simple y compresin triaxial tipo CU, y de compresibilidad como compresin confinada. Estos se realizaron bajo condiciones inalteradas y reconstituidas con el fin de comparar la diferencia entre suelos con y sin microfbrica original.

A partir del anlisis de las variables microestructurales se plantea que las propiedades del comportamiento (resistencia y compresibilidad) de los suelos derivados del Stock de San Diego se encuentran asociadas a la microestructura desarrollada en el proceso de meteorizacin qumica. Por lo tanto, no es posible separar la componente mineralgica de la microfbrica, ya que las dos se encuentran interrelacionadas y probablemente escaladas. Es decir, ocurren cambios en las fases mineralgicas que a una escala local controlan el fenmeno, pero a una escala global la microfbrica da una explicacin de conjunto. Por otro lado, los cambios en las propiedades ingenieriles en el Stock de San Diego son inducidos por el microfisuramiento o porosidad interensamble (abertura de los cristales entre los planos de clivaje) inducida por la meteorizacin y por la presencia de recubrimientos de xidos de manganeso que constituyen zonas de baja cohesin, y de xidos de hierro que juegan un papel cementante induciendo altos ngulos de friccin.

ABSTRACT

Keeping in mind that in the humid tropical environment, where we are, the phenomena of chemical weathering are intense and the soils formation factors are varied the practice of the geotechnics becomes particular. Appearing the microstructure (microfabrics and mineralogical phases) as an element with a significant influence on the geomechanical behavior of the soil masses.

To analyze the tendencies of the behavior of the strength and compressibility parameters associated to microstructural changes, are carried out chemical analysis, like the pH determination and X ray dispersed energy microanalysis (by scanning electron microscopy); and mineralogic analysis, like determination of mineral phases and their transformations (by polarized light optic microscopy, scanning electron microscopy and X ray diffraction). Also, there were done microscopic measures of microstructural parameters as the porous space size and distribution (mercury intrusion porosimetry), microfabrics organization (scanning electron microscopy) and particles size (COULTER granulometric counter), in two weathering profiles of the Stock of San Diego, in the urban area of the city of Medellin.

The geomechanical caracterization laboratory program included physical properties as consistency limits, granulometric distribution and conventional classification tests, stress tests like direct shear, simple compression, triaxial shear CU type, and compressibility tests like confined compression. These were carried out under unaltered and reconstituted conditions to compare the difference among soils with and without original microfabric.

Starting from the analysis of the microstructural variables it's think that the properties of the behavior (strength and compressibility) of the Stock of San Diego derived soils are associated to microstrsucture developed in the chemical weathering process. Therefore, it is not possible to separate the mineralogical component of the microfabric, since both are interrelated and probably scaled, that is to say, happen changes in the mineralogical phases that control the phenomenon in local scale, but to a global scale the microfabric gives a group explanation. On the other hand, the changes in engineering properties at the Stock of San Diego are induced by microcracking or interassemblage porosity (opening of the cristals among the cleavage planes) induced by the weathering and by the presence of manganese oxides recoverings that constitute low cohesion zones, and of iron oxides that play a cementing role inducing high friction angles.TABLA DE CONTENIDOSPg.

1CAPTULO 1. INTRODUCCIN

21.1 MOTIVACIN Y OBJETIVOS

41.2 ORGANIZACIN Y CONTENIDO

9CAPTULO 2. FUNDAMENTO TERICO

102.1 EL PROBLEMA DE LA ESCALA

112.2 METEORIZACIN

112.2.1 Meteorizacin Qumica

122.2.2 Meteorizacin Fsica

132.2.3 Meteorizacin Biolgica

142.3 FACTORES FORMADORES DEL SUELO

152.4 PERFIL DE METEORIZACIN

172.5 PROPIEDADES INGENIERILES

192.6 MICROESTRUCTURA, DEFINICIN E IMPORTANCIA

202.6.1 Caracterizacin De La Microfbrica

222.7 TCNICAS DE CARACTERIZACIN DE SUELOS

232.7.1 Microscopa ptica De Luz Polarizada

242.7.2 Microscopa Electrnica De Barrido

322.7.3 Difraccin De Rayos X

37CAPTULO 3. METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN

383.1 SELECCIN Y LOCALIZACIN DE LOS SITIOS DE MUESTREO

403.2 CARACTERIZACIN DE LOS SITIOS DE MUESTREO

403.2.1 Marco Geolgico Regional

403.2.2 Marco Geolgico Local

433.2.3 Marco Geomorfolgico Regional

433.2.4 Marco Geomorfolgico Local

443.2.5 Geologa Estructural

453.2.6 Clima Y Vegetacin

453.2.7 Clasificacin Del Perfil De Meteorizacin

473.3 TCNICAS DE SONDEO Y MUESTREO

473.3.1 Tcnicas De Sondeo

483.3.2 Muestreo

573.4 PROGRAMA DE PREPARACIN PARA CARACTERIZACIN DE SUELOS

573.4.1 Microscopa ptica

663.4.2 Microscopa Electrnica De Barrido

673.4.3 Difraccin De Rayos X

673.4.4 Porosimetra Por Intrusin De Mercurio

673.4.5 Anlisis Granulomtrico Con El Contador Coulter

683.4.6 Determinacin Del pH

683.5 PROGRAMA DE LABORATORIO PARA CARACTERIZACIN MICROESTRUCTURAL

683.5.1 Estudio Qumico-Mineralgico De Los Suelos

703.5.2 Estudio De La Microfbrica De Los Suelos

803.6 PROGRAMA DE LABORATORIO PARA CARACTERIZACIN GEOMECNICA

813.6.1 Ensayos De Compresin Inconfinada

813.6.2 Ensayos De Resistencia A La Cizalladura Directa

823.6.3 Ensayos De Compresin Confinada

823.6.4 Ensayos De Compresin Triaxial

83CAPTULO 4. ANLISIS DE RESULTADOS

844.1 CARACTERIZACIN MICROESTRUCTURAL

844.1.1 Anlisis Por Microscopa ptica De Luz Polarizada

1014.1.2 Anlisis Por Microscopa Electrnica De Barrido

1314.1.3 Anlisis De La Difraccin De Rayos X

1374.1.4 Anlisis De La Porosidad

1414.1.5 Anlisis Del Tamao De Partcula

1464.2 CARACTERIZACIN GEOMECNICA

1464.2.1 Propiedades Fsicas

1504.2.2 Ensayos De Resistencia

1624.2.3 Ensayos De Compresibilidad

169CAPTULO 5. DISCUSIN, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

179CAPTULO 6. BIBLIOGRAFA

NDICE DE FIGURASPg.

Figura 2.1. Secuencia de un perfil de meteorizacin qumica.13Figura 2.2. Nivel elemental de la microfbrica.21Figura 2.3. Nivel de ordenamiento de la microfbrica..21Figura 2.4. Nivel compuesto de la microfbrica.22Figura 2.5. Perfil Terra Verde, 24 m, muestra inalterada, roca grado IV de meteorizacin, lmina delgada. Microfisuras en azul. Micas (Biotita) de color caf. Feldespato y cuarzo incoloros. 25Figura 2.6. Componentes del microscopio electrnico de barrido. 26Figura 2.7. Interaccin entre el haz y la muestra, generacin de las diferentes seales. 27Figura 2.8. Geometra del volumen de excitacin y origen de las seales. 28Figura 2.9. microscopa electrnica de barrido, seal de electrones secundarios. 29Figura 2.10. microscopa electrnica de barrido, seal de electrones retroproyectados. 30Figura 2.11 Ejemplo de una funcin discreta F(x,y). Corte seccional de un suelo saproltico del perfil Terra Verde. 33Figura 2.12. Condiciones geomtricas para difraccin de rayos X de acuerdo con la Ley de Bragg. 34Figura 3.1. Ubicacin general del rea de estudio en la vertiente oriental del Valle de Aburr. Perfil Terra Verde (P1), Altos del Poblado (P2). rea Metropolitana. Zona 12 (El Poblado).39Figura 3.2. (a) Material parental perfil Altos del Poblado, Gabro. (b) Material parental perfil Terra Verde, Diorita.41Figura 3.3. Esquema geolgico de los alrededores de Medelln.42Figura 3.4. Diques pegmatticos del Stock de San Diego intruyendo la Anfibolita de Medelln en la zona de estudio.44Figura 3.5. Pozos y taludes expuestos durante la excavacin de la obra.47Figura 3.6. Muestreo puntual en el lmite entre zonas con intensidades de meteorizacin diferente.51Figura 3.7. Muestreo puntual recubrimientos de xidos de manganeso.52Figura 3.8. Muestreo puntual diques pegmatiticos.52Figura 3.9. Caja de Kubiena utilizada para recolectar muestras para la preparacin de bloques pulidos y lminas delgadas.53Figura 3.10. Etapas del proceso de muestreo utilizando cajas de Kubiena.54Figura 3.11. Muestra tipo cajn recolectada en taludes expuestos durante las excavaciones.55Figura 3.12. Muestra tipo cajn recolectadas al interior de las pilas.55Figura 3.13. Etapas del proceso de elaboracin de lminas delgadas de suelos.59Figura 3.14. Sustitucin de agua por acetona en fase vapor.60Figura 3.15. Agitacin magntica de la mezcla impregnante.60Figura 3.16. Equipo de impregnacin al vaco construido durante este proyecto.62Figura 3.17. Diagrama que ilustra el proceso de impregnacin.63Figura 3.18. Mtodo utilizado para la fijacin de la muestra antes del proceso de impregnacin. Bloque de suelo antes del proceso de impregnacin.63Figura 3.19. Curado de la mezcla impregnante.64Figura 3.20. Seccin pulida de una muestra de suelo antes del proceso de metalizado.65Figura 3.21. Secciones pulidas despus del metalizado.66Figura 3.22. Secuencia implementada para la caracterizacin de la macro y microestructura utilizada en este proyecto.71Figura 3.23. Tipos de iluminacin utilizados en microscopa ptica.72Figura 3.24. Imagen de entrada en escala de grises, distribucin niveles de intensidad. Seal de electrones retroproyectados.77Figura 3.25. Etapas del procesamiento digital de imgenes.78Figura 3.26. Definicin de los parmetros de la microfbrica analizados.80Figura 4.1. Roca parental del perfil Terra Verde.84Figura 4.2. Diagrama Q-A-P para el Stock de San Diego.85Figura 4.3. alteracin de la plagioclasa (sausuritizacin).86Figura 4.4. Roca parental del perfil Altos del Poblado86Figura 4.5. Petrografa material parental perfil Altos del Poblado87Figura 4.6.petrografa del saprolito perfil terraVerde88Figura 4.7. abertura de planos de clivaje en biotita.88Figura 4.8. Microfisuracin en hornblenda y clinopiroxeno.89Figura 4.9. matriz arcillosa.89Figura 4.10. xidos de hierro.90Figura 4.11. las pelculas de mn. 90Figura 4.12. Cambios en la coloracin del material parental por procesos de meteorizacin qumica.92Figura 4.13. intensiadad de los cambios que se desarrollan en el paso de roca a suelo. 92Figura 4.14. Propagacin de microfisuras en biottta y plagioclasa.93Figura 4.15. xidos de hierro en el perfil Terra Verde, horizonte saproltico.94Figura 4.16. Oxidacin y cementacin.94Figura 4.17. Secuencia de alteracin mineral del perfil Terra Verde.98Figura 4.18. Secuencia de alteracin mineral del perfil Altos del Poblado.99Figura 4.19. Secuencia de los grados y patrones de alteracin de los perfiles Altos del Poblado y Terra Verde.100Figura 4.20. Plano tomado para la captura de las imgenes falladas.101Figura 4.21. Niveles de la microfbrica, saprolito perfil Terra verde.103Figura 4.22. Niveles de la microfbrica, suelo residual perfil altos del poblado.106Figura 4.23. Presiones de estudio para la caracterizacin de la microfbrica del perfil Terra Verde-inalterada (suelo saproltico).108Figura 4.24. Evolucin microestructural del suelo saproltico del perfil Terra Verde durante el ensayo de compresin confinada, muestra inalterada.109Figura 4.25. Niveles de la microfbrica muestra inalterada sometida al ensayo de compresin confinada (P1=90 KPa), saprolito perfil Terra verde.110Figura 4.26. Niveles de la microfbrica muestra inalterada sometida al ensayo de compresin confinada (P4=2000 KPa), saprolito perfil Terra verde. 111Figura 4.27. Presiones de estudio para la caracterizacin de la microfbrica del perfil Terra Verde-reconstituida a densidad de campo (suelo saproltico).113Figura 4.28. Evolucin microestructural del suelo saproltico del perfil Terra Verde durante el ensayo de compresin confinada, muestra reconstituida a densidad de campo.114Figura 4.29. Niveles de la microfbrica muestra reconstituida a densidad de campo, sometida al ensayo de compresin confinada (P1=90 KPa), saprolito perfil Terra verde.115Figura 4.30. Niveles de la microfbrica muestra reconstituida a densidad de campo, sometida al ensayo de compresin confinada (P4=2000 KPa), saprolito perfil Terra verde. 116Figura 4.31. Mapa de elementos qumicos y su respectivo espectro para el material parental (cuarzodiorita) del perfil Terra Verde.119Figura 4.32. Mapa de elementos qumicos y su respectivo espectro para el saprolito del perfil Terra Verde.120Figura 4.33. Mapa de elementos qumicos y su respectivo espectro para el suelo residual del perfil Terra Verde.121Figura 4.34. Identificacin de pelculas de manganeso presentes en el perfil Terra Verde.122Figura 4.35. Mapa composicional de elementos para la roca parental del perfil Altos del Poblado.123Figura 4.36. Imagen tomada en microscopa electrnica en modo de electrones secundarios. Montaje de granos, fraccin tamao arcilla del suelo residual (perfil Altos del Poblado).La microfotografa muestra la alteracin de un feldespato. 124Figura 4.37. Fractura concoidea en grano de cuarzo.124Figura 4.38. Escalas continuas y discontinuas de reaccin de Bowen de los minerales.125Figura 4.39. Plagioclasa zonada.125Figura 4.40. caolinitizacin en feldespato potsico y plagioclasas.126Figura 4.41.Biotitas en la roca parental y suelo residual.126Figura 4.42. Caolinitizacin de feldespatos.127Figura 4.43. Caolinita y xidos de hierro.127Figura 4.44. Estructura tpica de la caolinita.128Figura 4.45. Espectro de difraccin de rayos X para la caolinita.128Figura 4.46. Asociaciones elementales de minerales arcillosos. Tomado de Gonzles de Vallejo, 2002.129Figura 4.47. fraccin arcilla en el perfil Altos del Poblado y Terra Verde .130Figura 4.48. Micro-perfiles mostrando la variacin estructural en ambos perfiles de meteorizacin partiendo desde la roca fresca.131Figura 4.49. Difractogramas perfil Terra Verde.132Figura 4.50. Difractogramas perfil Altos del Poblado.132Figura 4.51. Patrones de difraccin de rayos X para el perfil Terra Verde..135Figura 4.52. Patrones de difraccin de rayos X para el perfil Altos del Poblado.136Figura 4.53. Curvas porosimtricas del saprolito del perfil Terra Verde y Altos del Poblado.139Figura 4.54. Distribucin del tamao de los poros del saprolito del perfil Terra Verde.139Figura 4.55. Distribucin del tamao de los poros del saprolito del perfil Altos del Poblado.140Figura 4.56. Geometra y orientacin de las partculas slidas para el saprolito del perfil Terra Verde.141Figura 4.57. Geometra y orientacin de los poros intra y entre granos minerales para el saprolito del perfil Terra Verde.142Figura 4.58. Curvas de distribucin del dimetro de las partculas para los perfiles Terra Verde (P1) y Altos del Poblado (P2). 144Figura 4.59. Curvas de distribucin de tamao contra el rea superficial para los perfiles Terra Verde (P1) y Altos del Poblado (P2). 145Figura 4.60. Carta de plasticidad de Casagrande (a) y difractograma (b) para el perfil Terra Verde.147Figura 4.61. Carta de plasticidad de Casagrande (a) y difractograma (b) para el perfil Altos del Poblado.147Figura 4.62. Distribucin granulomtrica del perfil Terra Verde.149Figura 4.63. Distribucin granulomtrica del perfil Altos del Poblado.149Figura 4.64. Curvas esfuerzo deformacin del ensayo de compresin inconfinada para las muestras del perfil Terra Verde.152Figura 4.65. Curvas esfuerzo deformacin para el ensayo de compresin inconfinada en saprolitos del perfil Terra Verde, inalterado (P1S1-IC) y reconstituido (P1S1-RC y P1S1-RUNC). 155Figura 4.66. Curva esfuerzo deformacin para el ensayo de compresin inconfinada (a). La probeta de suelo muestra una discontinuidad de baja resistencia (b). Modo de falla por dicha discontinuidad (c). La imagen (d) corresponde a una lmina delgada preparada en la zona de debilidad.156Figura 4.67. Esfuerzo normal vs esfuerzo cortante. Ntese las discontinuidades presentes en el perfil Terra Verde y la disminucin de la cohesin debido a contactos entre suelo residual y saproltico (C = 0.12 Kgf/cm2). 159Figura 4.68. Matriz granular-arcillosa que envuelve granos minerales tamao arena.160Figura 4.69. Envolventes de resistencia. Ensayo de compresin triaxial - CU en el perfil Altos del poblado. 162Figura 4.70. Aparente presin de preconsolidacin exhibida por los suelos tropicales. Tomado de Castao, 2002.163Figura 4.71. Curva de consolidacin perfil Terra Verde, saprolito inalterado.165Figura 4.72. Resultados ensayo de compresin confinada. Perfil Terra Verde. Reconstituida, densidad de campo y humedad natural.166Figura 4.73. Resultados del ensayo de compresin confinada para saprolitos del perfil Altos del Poblado.167Figura 4.74. Curva relacin de vacos vs Log. Presin para muestras de suelos de ambos perfiles de meteorizacin.168NDICE DE CUADROSPg.

Cuadro 2.1. Desarrollo de un perfil de meteorizacin. Modificado de La Sociedad Geolgica de Londres, 1997.12Cuadro 2.2. Descripcin de los grados de meteorizacin. Tomado de Dearman, 1978.16Cuadro 2.3. Escala de los grados de meteorizacin. Tomado de Dearman, 1978.17Cuadro 2.4. Principales observaciones consignadas en investigaciones realizadas en suelos tropicales. Modificado de Cano et al., 2001.18Cuadro 2.5. Tcnicas de anlisis composicional y de la microfabrica de los suelos.23Cuadro 3.1. Procedimiento de muestreo y calidad de la muestra.48Cuadro 3.2. Cuadro resumen de las tcnicas de caracterizacin y el tipo de preparacin utilizado.57Cuadro 3.3. Procedimiento para determinar el pH.68Cuadro 4.1. Productos de alteracin de algunos minerales silicatados. Tomado de FitzPatrick, 1990.93Cuadro 4.2. Secuencia de alteracin mineral. Modificado de Bullock et al (1985).98Cuadro 4.3. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Terra Verde.102Cuadro 4.4 Caracterizacin de la microfbrica del perfil Altos del Poblado.105NDICE DE TABLASPg.

Tabla 2.1.Niveles estructurales de los materiales (Hornbogen, 1984).10Tabla 2.2.Sistema de clasificacin de zonas de Brand. Tomado de La Oficina de Control Geotcnico de Hong Kong (1984)16Tabla 2.3.Caractersticas de la Microscopa ptica.24Tabla 2.4.Caractersticas de la Microscopa Electrnica de Barrido.26Tabla 2.5.Modos de operacin del microscopio electrnico de barrido

(Goldstein, 1984).27Tabla 3.1. Coordenadas cartesianas del Perfil Terra Verde.38Tabla 3.2. Coordenadas cartesianas del Perfil Altos del Poblado38Tabla 3.3. Rtulo de identificacin de las muestras.49Tabla 3.4. Utilizacin de los distintos tipos de muestras recolectadas en esta investigacin.56Tabla 3.5. Inventario de muestras perfil Terra Verde.56Tabla 3.6. Inventario de muestras perfil Altos del Poblado.56Tabla 3.7. Proporciones para preparar la mezcla impregnante. Para suelos arenosos (SM, SC) y limo-arcillosos y arcillosos (ML, MH, CL, CH).61Tabla 3.8. Proporciones para preparar la mezcla impregnante con el pigmento. Para toda clase de suelos.61Tabla 3.9. Proporciones para preparar la mezcla impregnante con el pigmento en polvo Suvinil azul GLS. Para toda clase de suelos. Para un curado en 48 horas a 65C. Mezcla C.62Tabla 3.10. Tiempos de curado de las mezclas de impregnacin.64Tabla 3.11. Tiempos de metalizado utilizados.67Tabla 3.12. Cuadro resumen del nmero de anlisis de laboratorio realizados para la caracterizacin qumico-mineralgica.70Tabla 3.13. Condiciones de operacin del microscopio ptico y parmetros de digitalizacin.74Tabla 3.14. Algunas magnificaciones y usos (Smart y Tovey, 1982).75Tabla 3.15. Condiciones de operacin del microscopio electrnico de barrido.75Tabla 4.1. Composicin mineralgica, en porcentaje, del Stock de San Diego. P1= Perfil Terra Verde, P2= Perfil Altos del Poblado.84Tabla 4.2. Principales caractersticas de los cambios petrogrficos asociados a diferentes grados de meteorizacin en el Stock de San Diego.91Tabla 4.3. Caracterizacin del Gabro de San Diego en trminos del ndice de descomposicin (Xd; Lumb, 1962) y microfbrica (Baynes y Dearman, 1978). P1=Perfil Terra Verde, P2= Perfil Altos del Poblado.96Tabla 4.4. Caracterizacin del Gabro de San Diego en trminos del ndice micropetrogrfico (Ip ; Irfan y Dearman, 1978) y grados de meteorizacin (Dearman, 1978). P1= Perfil Terra Verde, P2= Altos del Poblado.96Tabla 4.5. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Terra Verde, horizonte saproltico.104Tabla 4.6. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Terra Verde, horizonte residual.104Tabla 4.7. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Altos del Poblado, horizonte saproltico.107Tabla 4.8. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Altos del Poblado, horizonte residual.107Tabla 4.9. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Altos del Poblado, horizonte saproltico, muestra inalterada sometida a compresin confinada (P1=90 KPa).112Tabla 4.10. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Altos del Poblado, horizonte saproltico, muestra inalterada sometida a compresin confinada (P4= 2000KPa).112Tabla 4.11. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Altos del Poblado, horizonte saproltico, muestra reconstituida a densidad de campo. P1=90KPa117Tabla 4.12. Caracterizacin de la microfbrica del perfil Altos del Poblado, horizonte saproltico, muestra reconstituida a densidad de campo. P4 = 2000 KPa.117Tabla 4.13. Valores del pH para los perfiles Terra Verde (P1) y Altos del Poblado (P2).130Tabla 4.14. Valoracin del grado de alteracin por medio del IAC.133Tabla 4.15. Valores del indice de alteracin caolintico para los suelos del perfil Terra Verde y Altos del Poblado.134Tabla 4.16. Proporciones de partculas tamao arena, limo y arcilla. Perfil Terra Verde (P1) y perfil Altos del Poblado (P2).143Tabla 4.17. Resumen de las pruebas ndices y clasificacin para los suelos del perfil Terra Verde y Altos del Poblado.150Tabla 4.18. Resumen de la resistencia a la compresin inconfinada del perfil Terra Verde, horizonte saproltico.151Tabla 4.19. Valores de la cohesin (C) y el ngulo de rozamiento interno () para los suelos estudiados.157Tabla 4.20. Parmetros de resistencia obtenidos del ensayo de compresin triaxial CU. Esfuerzos efectivos.160ANEXOS

Anexo.1.Anlisis de la porosidad por medio de anlisis de imagen. Anexo.2. Sistema de anlisis microestructural.

Esta investigacin fue posible gracias al estudio de libros y diversos artculos sobre origen y formacin de suelos, micromorfologa, micromorfometra, estereologa cuantitativa, microestructura, muestreo y preparacin, tcnicas de caracterizacin de materiales (microscopa electrnica de barrido, difraccin de rayos X, microscopa ptica de polarizacin) como tambin asistir a los cursos: geotecnia de suelos tropicales (Facultad de Minas), ciencia del suelo (Facultad de Ciencias), anlisis digital de imagen (Facultad de Minas), adems de asesoras tcnicas en laboratorios especializados en la preparacin de lminas delgadas de suelos (Instituto Geogrfico Agustn Codazzi IGAC, Instituto de Investigacin e Informacin Geocientfica, Minero-Ambiental y Nuclear - INGEOMINAS - Bogot).

CAPTULO 1. INTRODUCCIN

1.1. MOTIVACIN Y OBJETIVOS

1.2. ORGANIZACIN Y CONTENIDO

1.1 Motivacin y Objetivos

En la prctica geotcnica, al evaluar los problemas de estabilidad se tienen en cuenta los estudios de los parmetros de resistencia y compresibilidad ya que estos aportan soluciones a problemas especficos. Al plantearse el estudio del comportamiento geomecnico de nuestros suelos, se debe tener como marco de referencia el ambiente tropical hmedo, en el que nos encontramos, caracterizado por temperaturas altamente variables y por lluvias abundantes, en el que los procesos de meteorizacin qumica de los minerales son ms acentuados. Estos procesos transforman un material parental (roca), in situ o transportado en un suelo (geomaterial meteorizado: suelo tropical) con propiedades ingenieriles particulares que difieren del comportamiento mecnico y dinmico de los suelos no meteorizados. Como consecuencia de lo anterior, las caractersticas del material parental y los procesos de formacin que dan origen a estos suelos heterogneos influyen directamente en la metodologa de clasificacin.

Se tendr como convencin dentro de este trabajo la denominacin tropical para un conjunto de suelos con caractersticas diferentes a los suelos tradicionales, producto de la desintegracin y descomposicin de la roca in situ o material parental transportado y residual para un tipo especfico de suelo tropical asociado a una intensidad de meteorizacin mxima. Es importante realizar esta aclaracin debido al uso indiferente de estos dos trminos dentro de la literatura tcnica para mencionar el mismo tipo de suelo y por otro lado para comenzar una normalizacin de conceptos dentro del medio geotcnico. Tambin es importante aclarar que los suelos tropicales no son todos aquellos que se encuentran en zonas tropicales y que no todos los suelos ubicados en el trpico son geotcnicamente suelos tropicales (Hincapi, 1992).

Durante los ltimos aos ha cobrado importancia el estudio de este tipo de geomateriales meteorizados y otros suelos con caractersticas especiales en los cuales su composicin mineralgica y el arreglo interno de sus constituyentes (slido, lquido y gaseoso) influyen de forma significativa en el comportamiento geomecnico de la masa de suelo (Hincapi, 1992). Tales caractersticas definen grados de estructuracin y por ende suelos estructurados. Segn Jimnez y Penagos (1997), un suelo estructurado se caracteriza por presentar una elevada resistencia al corte, baja compresibilidad, por el desarrollo de taludes verticales pero gran desintegracin y movilidad al fallar. Consecuentemente, las propiedades geotcnicas del suelo estn relacionadas con su estructura y la variedad de factores que intervienen en la formacin de estos suelos determinan su complejidad geotcnica (Jimnez y Penagos, 1997). As, hay quienes piensan que la mayora de las propiedades asociadas a los suelos considerados como desfavorables geotcnicamente tiene su origen en la mineraloga y la microfbrica (Gonzlez de Vallejo, 2002).

Por todo lo anterior se puede decir que existen en la naturaleza ciertos suelos que deben su comportamiento principalmente a una estructura interna (micro) del material (microestructura) o una estructura (macro) de la masa de suelo (macroestructura) la cual segn FitzPatrick (1990), est asociada a los procesos formativos y a los factores formadores (material parental, clima, relieve, microorganismos y tiempo). Esta situacin conduce a utilizar nuevas tcnicas de investigacin y monitoreo, encaminadas a determinar las posibles influencias de las fases y/o transformaciones minerales y sus relaciones microestructurales en las propiedades geomecnicas de este tipo de suelos.

El estudio de geomateriales por medio de los ensayos convencionales y su relacin con las propiedades mecnicas ha sido muy discutido en la comunidad geotcnica debido a la calidad del muestreo, a la validez de la aplicacin de algunas pruebas y a la dificultad para establecer correlaciones generales, razn que obliga a realizar algunas modificaciones en la metodologa y nfasis de las pruebas de clasificacin y ensayo, con el fin de avanzar en el estado del conocimiento (Hincapi, 1992).

Adicionalmente, la caracterizacin mineralgica ha ganado gran importancia en las ltimas dcadas, debido al advenimiento de tcnicas analticas de punta que posibilitan la obtencin de datos precisos y refinados ampliamente utilizados como herramienta fundamental para el entendimiento de los procesos de transformacin, natural o artificial, de minerales, que sirven como soporte en diversas aplicaciones de la ingeniera (Mrquez, 1995).

Debido entonces a iniciativa propia y a la situacin anteriormente planteada nace este proyecto de investigacin, dndole a nuestros suelos un tratamiento especfico con nuevos mtodos de investigacin, caracterizacin, clasificacin, prediccin y evaluacin.

Con base en lo anterior se defini el siguiente objetivo general de trabajo: caracterizar mineralgicamente y establecer la influencia de las fases minerales presentes, y sus relaciones microestructurales en las tendencias del comportamiento mecnico en los parmetros de resistencia y compresibilidad, en dos perfiles de meteorizacin (horizontes residual y saproltico) del Stock de San Diego.Bajo los siguientes objetivos especficos se enmarca el desarrollo de este trabajo: Definir las fases minerales presentes y sus posibles relaciones con las tendencias de los parmetros de resistencia y compresibilidad.

Analizar las tendencias del comportamiento de los parmetros de resistencia y compresibilidad asociadas a los cambios microestructurales dentro de los horizontes de meteorizacin saprolito (primer nivel) y suelo residual en los perfiles analizados.

Identificar las transformaciones de fases minerales presentes en los diferentes horizontes analizados.

1.2 Organizacin y contenido

En la investigacin se trasciende de la descripcin petrogrfica y micromorfolgica de las fases constituyentes del suelo para profundizar en las mediciones micromorfomtricas sobre variables microestructurales de tal forma que se obtienen valores numricos para clasificar determinsticamente el comportamiento geomecnico de los niveles analizados. El estudio busca encontrar a partir de ensayos mecnicos estticos, parmetros de resistencia y compresibilidad que puedan ser interrelacionados con la componente microestructural; adems, dar respuesta a interrogantes como: cules propiedades mecnicas de los suelos estn directamente influenciadas por la microestructura, cmo y en qu grado?

Con base en estos conceptos, se desarroll un programa de muestreo en el rea urbana de la ciudad de Medelln (departamento de Antioquia), de tal manera que se pudiera determinar la variacin geomecnica y las transformaciones de fases en funcin de la evolucin del perfil de meteorizacin.

El trabajo se divide en los siguientes captulos:

Captulo 1. Introduccin. La cual incluye la motivacin, los objetivos, la organizacin y el contenido de este documento.

Captulo 2. Fundamentos tericos. Este captulo est dividido en cinco partes: el problema de la escala, procesos de meteorizacin, sistemas de clasificacin de perfiles de meteorizacin, propiedades ingenieriles, microestructura: definicin e importancia (niveles de organizacin estructural), tcnicas de caracterizacin de suelos (microscopa ptica de luz polarizada, microscopa electrnica de barrido y difraccin de rayos X). Esta presentacin obedece a la manera lgica como se utilizan las herramientas tericas en la etapa experimental.

Captulo 3. Metodologa de la investigacin. Incluye aspectos geolgico-geotcnicos de los sitios de muestreo. Se presenta la localizacin de los perfiles de meteorizacin, geologa regional, local y geomorfologa. Adems se presentan las tcnicas de sondeo, los procedimientos de muestreo, los cuidados en la preparacin de muestras. Se discuten los programas de los diferentes ensayos y anlisis de laboratorio microestructurales (qumicos, mineralgicos y de la microfbrica) y mecnicos: Anlisis del tamao de partcula: textura mtodo de Bouyoucos (% de partculas tamao arena, limo y arcilla), tamizado, hidrmetro, contador granulomtrico COULTER.

Lmites de consistencia.

Anlisis de difraccin de rayos X (secuencia lineal dentro del perfil de meteorizacin: material parental hasta el suelo residual).

Determinacin del pH.

Anlisis de microscopa ptica de luz polarizada de muestras inalteradas, alteradas (reconstituidas), pre-falla y post-falla: ndice micropetrogrfico (Ip) y de descomposicin (Xd).

Anlisis de porosimetra por intrusin de mercurio en muestras de suelo inalteradas.

Anlisis de microscopa electrnica de barrido de muestras inalteradas, alteradas, pre-falla y post-falla.

Espectrometra de rayos X (mapas de microanlisis qumicos).

Anlisis digital de imgenes obtenidas por microscopa electrnica.

Ensayos mecnicos de compresibilidad y resistencia a la cizalladura: Ensayos de compresin inconfinada en muestras inalteradas y en probetas fabricadas a densidad seca mxima (proctor normal).

Ensayos de compresin confinada en muestras inalteradas y muestras alteradas a humedad natural (a la misma densidad de campo). Ensayos de resistencia a la cizalladura directa. Ensayos de compresin triaxial CU.Captulo 4. Anlisis e interpretacin de resultados. Se presentan y analizan los resultados obtenidos en la fase experimental, tanto en la parte mecnica como en la parte microestructural. En este captulo, se realiza una comparacin de los resultados obtenidos con el fin de establecer interrelaciones de los factores microestructurales con los parmetros de resistencia y compresibilidad. Se analizan las transformaciones de las fases mineralgicas, los niveles microestructurales, los cambios ocurridos en la microestructura del material parental y el suelo generado. Se realiza un estudio particular de la respuesta de los ensayos de compresin confinada y su evolucin microestructural a diferentes presiones. Posteriormente se presentan los resultados obtenidos de los ensayos de compresin inconfinada, triaxial y resistencia al cortante.

Captulo 5. Conclusiones y recomendaciones generales. Se presentan las principales conclusiones derivadas de este trabajo de investigacin, las cuales correlacionan el comportamiento mecnico con el microestructural. Se exponen tambin algunas lneas de investigacin abiertas y algunas recomendaciones generales para continuar con esta lnea de trabajo.

Con el fin de abrir paso al desarrollo de trabajos e investigaciones posteriores en esta rea, el enfoque dado a esta investigacin es experimental con un desarrollo metodolgico aplicado al estudio de la mineraloga y la microfbrica del suelo como factores incidentes en el comportamiento geomecnico.

CAPTULO 2. FUNDAMENTO TERICO

2.1. EL PROBLEMA DE LA ESCALA

2.2. METEORIZACIN

2.3. FACTORES FORMADORES DEL SUELO2.4. PERFIL DE METEORIZACIN2.5. PROPIEDADES INGENIERILES2.6. MICROESTRUCTURA: DEFINICIN E IMPORTANCIA 2.7. TCNICAS DE CARACTERIZACIN DE SUELOS2.1 EL PROBLEMA DE LA ESCALA

Una pregunta que resulta en un estudio de este tipo es el concepto de escala, fundamental para entender hasta donde podemos ver e interpretar fenmenos fsicos. Introduciremos este concepto a partir del muestreo, su descripcin y anlisis. Sobre la base de datos experimentales se ha observado que a partir de un determinado volumen de la muestra los resultados de los ensayos son independientes del tamao. Este volumen el ms pequeo considerado representativo, es el llamado volumen elemental representativo. Debido a su complejidad, el efecto escala no est suficientemente estudiado, pero cabe esperar que los factores de seguridad utilizados hasta ahora, en las distintas aplicaciones, irn siendo reemplazados gradualmente por un conocimiento cualitativo y cuantitativo acerca de la influencia ejercida por el tamao de la muestra sobre los resultados de los ensayos, permitiendo una seleccin de los parmetros geotcnicos de diseo con una mayor base cientfica (Cunha, 1990; en Gonzlez de Vallejo, 2002). En la Tabla 2.1 se observa la escala de la microestructura y su comparacin con obras ingenieriles.

Tabla 2.1. Niveles estructurales de los materiales (Hornbogen, 1984).

NIVEL DE ESTRUCTURAESCALA [m]EJEMPLOS

Estructura de ingeniera10-7 - 104Circuito integrado La Muralla China

Microestructura5x10-9 - 10-2Dimetro de un grano o el lmite de una fase Tamao de un gran grano.

Fase10-9 10-6Celdas elementales (pequeas grandes)

Molcula10-9 10-4Monmero polmero

tomo10-9

Partcula elemental10-15

Ligado a la escala se introduce el trmino microestructura, muchas veces dado a objetos los cuales se pueden observar por mtodos de microscopa ptica; con el desarrollo de otras tcnicas de microscopa como MET (Microscopa Electrnica de Transmisin) y MEB (Microscopa Electrnica de Barrido), sus abreviaciones inglesas TEM y SEM respectivamente, los lmites de la microestructura se han abierto (Restrepo, 2000).

2.2 MeteorizacinEn esta investigacin se sintetizan los procesos de meteorizacin fsica, qumica y biolgica. Para mayor detalle se remite al lector a consultar a Brewer (1964), Bullock et al. (1985) y Jaramillo (2002).

Se entiende por meteorizacin el proceso de descomposicin y desintegracin qumica y fsica de las rocas y los minerales contenidos en ellas, que no se encuentran en equilibrio bajo las condiciones de temperatura, presin y humedad en la interfaz entre la litosfera y la atmsfera (Malagn, 1995; en Castao, 2002).

Segn Krauskph (1971), la meteorizacin implica un acercamiento al equilibrio por parte del sistema constituido por rocas, aire y agua. Una asociacin de este tipo incluir minerales acordes con las condiciones fisicoqumicas superficiales (minerales secundarios). Una manera de estudiar los procesos de meteorizacin es la de considerar los cambios composicionales, partiendo de la roca fresca y siguiendo a travs de sus diferentes grados de descomposicin. 2.2.1 Meteorizacin qumica

Segn la Sociedad Geolgica de Londres (1997), el desarrollo de un perfil de meteorizacin est caracterizado por una serie de procesos de tipo qumico principalmente (Cuadro 2.1). Estos procesos de meteorizacin qumica generan un perfil de meteorizacin compuesto por materiales muy heterogneos, que van desde roca sana, luego por rocas parcialmente meteorizadas, saprolitos, hasta suelo residual (Figura 2.1).

Se conocen ciertos agentes que controlan algunos de los procesos mostrados en el Cuadro 2.1: el agua, la temperatura, el oxgeno, anhidro carbnico, materia orgnica, iones H+ y OH-, microorganismos, posicin en el terreno y condiciones de drenaje, siendo la relacin precipitacin-temperatura determinante en la velocidad y naturaleza de los productos finales (Castao, 2002).

Segn Gonzlez de Vallejo (2002), la meteorizacin qumica trae como consecuencia la formacin de nuevos minerales (secundarios). Los cambios qumicos que operan en los minerales primarios de las rocas tienden a producir, como productos finales minerales arcillosos, por ejemplo, caolinita, halloysita, illita y montmorillonita, entre otros.

Cuadro 2.1. Desarrollo de un perfil de meteorizacin. Tomado de La Sociedad Geolgica de Londres, 1997.

Segn Blight (1997), la hidrlisis es considerada el proceso ms importante de meteorizacin qumica, ocurre cuando las sales se combinan con el agua para formar un cido y una base. En la meteorizacin de la roca la sal es usualmente un silicato y el producto de la reaccin es un mineral del grupo de las arcillas. La oxidacin es usualmente precedida por la hidrlisis y afecta rocas con contenido de sulfatos de hierro, carbonatos y silicatos.

2.2.2 Meteorizacin fsica

La meteorizacin fsica incluye los efectos de procesos como la abrasin, expansin y contraccin. Algunos de estos procesos se originan dentro de la roca, mientras que otros son aplicados externamente. Los minerales resultantes de estos procesos son completamente similares a los de la roca original, pero muchas veces experimentan variaciones en su tamao. Los esfuerzos aplicados inducen deformaciones y eventualmente la ruptura, permitiendo un aumento considerable en su superficie especfica, generando por tanto una condicin que tiende al incremento de las alteraciones bioqumicas (Buol, 2000; en Castao, 2002).

Figura 2.1. Secuencia de un perfil de meteorizacin qumica.

2.2.3 Meteorizacin biolgica

En los suelos, las bacterias juegan frecuentemente un rol de catalizadores en ciertas reacciones qumicas. Segn Castao (2002), los organismos vivos pueden desempear un papel importante en el proceso de alteracin de los minerales, destacndose los siguientes procesos:

Secrecin de productos orgnicos activos. Desprendimiento de anhdrido carbnico en la respiracin. Formacin de complejos y quelatos. Intervencin en la movilidad de los distintos elementos. Formacin de humus. Efectos mecnicos de animales y plantas.2.3 FACTORES FORMADORES DEL SUELO

Los suelos tropicales son originados por una combinacin de sus factores formadores: clima, organismos, relieve, roca parental y el tiempo. Esta concepcin del suelo fue expresada por primera vez por Jenny en 1940; en FitzPatrick, 1990, segn la siguiente ecuacin: S = f (cl, o, r, p, t) (2.1)

donde, S representa el desarrollo del suelo, f es una funcin, cl el clima, o a los organismos, r al relieve, p el material parental y t el tiempo, donde r, p y t se consideran factores pasivos y son fuente de masa y o y cl como factores activos y son fuente de energa.

Esta ecuacin es muy importante pues representa que para una determinada combinacin de los factores formadores slo puede existir un tipo de suelo (la misma combinacin de factores originar siempre el mismo tipo de suelo independientemente del lugar geogrfico en que se encuentre).

Para evaluar la influencia de cada factor formador en las propiedades del suelo, basta en teora con mantener constantes todos los dems (hecho que frecuentemente es difcil de encontrar en la prctica). As, para ver la importancia del tiempo, la ecuacin fundamental quedara como sigue:

S = f(t) cl, o, r, p;

(2.2)donde,cl, o, r, p, = constantes Igualmente importante es que la magnitud de cualquiera de las propiedades del suelo, tales como pH, contenido en minerales arcillosos y porosidad, entre otros, est determinada por la combinacin de estos factores formadores.

2.4 PERFIL DE METEORIZACIN

Existen diversas metodologas de valoracin cualitativa enfocadas a la valoracin del grado de meteorizacin del suelo y hacia la descripcin de los perfiles de meteorizacin, as como tambin perfiles propuestos, los cuales han sido desarrollados a travs de la observacin de diferentes caractersticas en taludes de suelo y roca y en muestras extradas de stos.El perfil de meteorizacin es la secuencia de capas de materiales con diferentes propiedades fsicas y qumicas, formado en el mismo sitio donde se le encuentra y el cual yace sobre la roca no meteorizada (Deere y Patton, 1971).La meteorizacin de los macizos rocosos es descrita en trminos de la distribucin y proporciones relativas de la roca fresca, desintegrada y descompuesta y los efectos sobre las discontinuidades (Gonzles de Vallejo, 2002). Para este estudio se adopta como sistema de clasificacin, el perfil propuesto por Dearman (1974).Dearman, luego de varias modificaciones y complementos a su primer modelo (1974) presenta su esquema definitivo (1978), el cual se centra en la descripcin de los cambios en el material y la masa analizada; ste establece dos tablas de referencia para dicha descripcin, una para la roca como material y la otra para la roca como masa (Cuadros 2.2 y 2.3).

En esta investigacin tambin se adopt la metodologa de clasificacin de suelos tropicales propuesta por la Oficina de Control Geotcnico de Hong Kong (1984), la cual incluye el tipo de material litolgico de donde proviene el suelo, por medio de una letra en minscula, despus de los dos primeros caracteres que estn en maysculas, por ejemplo, si se encuentra un saprolito de gabro ste se clasificar como [PWg 0/30 (IV)], donde el nmero en romano indica el grado de meteorizacin de los fragmentos de roca (Tabla 2.2 y Cuadro 2.3).Descripcin de la zonaSmboloCaractersticas de la zona

Suelo residualRSEs un suelo residual derivado de la meteorizacin in situ, la estructura de la masa, la textura y la fbrica del material estn completamente destruidas, es 100% suelo.

Roca parcialmente meteorizada de 0%-30% rocaPW 0/30Tiene menos de un 30% de roca, el suelo preserva la textura y fbrica del material parental. El contenido de roca no afecta el desempeo a cortante de la masa, pero las discontinuidades heredadas si pueden llegar a influenciarlo. (saprolito).

Roca parcialmente meteorizada de

30%-50% rocaPW 30/50Posee de un 30% a 50% de roca. El contenido de roca y las discontinuidades heredadas afectan su resistencia al cortante.

Roca parcialmente meteorizada de

50%-90% rocaPW 50/90Tiene entre 50% y 90% de contenido de roca. Posee una estructura entrelazada de discontinuidades.

Roca parcialmente meteorizada de

90%-100% rocaPW 90/100Posee un volumen de roca mayor a 90%, se presenta una pequea cantidad de material convertido a suelo a lo largo de las discontinuidades.

Roca frescaUW100% roca. Puede presentar una pequea decoloracin a lo largo de las discontinuidades.

Tabla 2.2. Sistema de clasificacin de zonas de Brand. Tomado de La Oficina de Control Geotcnico de Hong Kong (1984).Grados de meteorizacin de la roca

TrminoCaractersticas diagnsticas

FrescoNo hay signos visibles de meteorizacin en el material de roca.

DescoloridoEl color del material parental fresco cambia y hay evidencia de meteorizacin. El grado del cambio del color original debe ser indicado. Se debe anotar si el cambio de color est limitado a minerales constituyentes particulares o no.

DbilLa roca est meteorizada en una gran extensin que es notablemente dbil, sin embargo, no es tcnicamente un suelo.

DescompuestoLa roca est meteorizada hasta la condicin de suelo en donde la fbrica del material original est an intacta, pero algunos o todos los granos de mineral estn descompuestos.

DesintegradoLa roca est meteorizada hasta la condicin de suelo en donde la fbrica del material original est an intacta. La roca es desmoronable con facilidad, pero los granos de mineral no estn descompuestos.

Cuadro 2.2. Descripcin de los grados de meteorizacin. Tomado de Dearman, 1978.Grados de meteorizacin de la masa

TerminoGradoCaractersticas diagnsticas

FrescaINo hay signo visible de la meteorizacin en el material de roca, sin embargo, se presenta una suave decoloracin sobre la superficie de las principales discontinuidades.

Ligeramente MeteorizadaIILa decoloracin sobre las discontinuidades, ya reflejadas ms superficialmente, indica una meteorizacin del material, algo de este puede estar descoloreado por la meteorizacin, pero an no se nota dbil.

Moderadamente MeteorizadaIIIEl material de roca se encuentra descoloreado y algunas zonas de la masa son frgiles, presenta, adems, zonas donde an no lo es, como ncleos de roca, o roca dentro de grupos de discontinuidades.

Altamente MeteorizadaIVAlgo del material de roca se encuentra descompuesto o desintegrado a suelo. Roca fresca, decolorida o frgil, se presenta como bolas de roca o dentro de grupos de discontinuidades.

Completamente MeteorizadaVTodo el material de roca se encuentra descompuesto o desintegrado a suelo. La estructura y fbrica del material parental an se presenta intacta.

Suelo ResidualVITodo el material de roca est convertido en suelo. La estructura y fbrica del material parental se encuentra destruida. Se puede dividir en un Horizonte A de eluviacin y un Horizonte B ms bajo de iluviacin.

Cuadro 2.3. Escala de los grados de meteorizacin. Tomado de Dearman, 1978.2.5 PROPIEDADES INGENIERILES

Los procesos de meteorizacin qumica de los minerales transforman un material parental (roca) in situ o material transportado en un suelo (geomaterial meteorizado: suelo tropical), el cual posee propiedades ingenieriles peculiares, que difieren del comportamiento mecnico y dinmico de los suelos no meteorizados y de la roca parental (Hincapi, 1992).

Se tendr como convencin dentro de este trabajo la denominacin tropical para el conjunto de suelos en general con caractersticas diferentes a los suelos tradicionales y residual para un tipo especfico de suelo tropical asociado a una intensidad de meteorizacin mxima.Los suelos tropicales presentan ciertas caractersticas especiales que los diferencian de los suelos base de los estudios de la mecnica de suelos tradicional, caracterizados por sedimentos no meteorizados o de bajo grado de meteorizacin. As, aunque los parmetros de caracterizacin, clasificacin y los criterios de diseo geotcnico de la mecnica de suelos clsica tienen utilidad para el caso de suelos tropicales, deben estar precedidos en orden jerrquico para su interpretacin, por el origen, mineraloga, estructura y grado de meteorizacin del material parental (Hincapi, 1992).

El Cuadro 2.4 presenta algunas de las principales observaciones consignadas en investigaciones realizadas en suelos tropicales referentes a sus propiedades ingenieriles.

INVESTIGADORLUGARREPORTE

Deere Patton (1971)Buenaventura (Colombia)La estabilidad y los mecanismos de falla se relacionan con la intensidad de meteorizacin.

Freudlund y Rahardjo (1985)CanadLa resistencia al corte vara segn el grado de saturacin.

Restrepo y otros (1986)MedellnLas propiedades mecnicas esperadas a partir de la clasificacin unificada presentan diferencias importantes con las medidas directas.

Vaughan (1988)EuropaEl estado de esfuerzos actual es determinante en su resistencia. La historia de tensiones durante el proceso de formacin tiene muy poco efecto sobre las propiedades de los materiales.

Mitchell y Sitar (1992)Honolulu (Hawaii)La granulometra y la consistencia varan segn sea su material de origen. El caso ms complicado de anlisis es el de los saprolitos.

Blight (1997)Inglaterra y HolandaLas propiedades fsicas son controladas por los detalles estructurales.

Surez (1998)Bucaramanga (Colombia)Si se encuentran in situ se comportan como si fueran sobreconsolidados.

Hincapi J. E. (1999)Medelln y zona central de AntioquiaLa presencia de discontinuidades heredadas del material parental (tropical in situ) u originadas en las interfaces de materiales diferentes usualmente controlan su comportamiento geotcnico

Grupo de sismologa de Medelln (1999)MedellnLas propiedades dinmicas no slo dependen del ndice de plasticidad, sino tambin del tipo de roca original.

Forero (2000)Viejo Caldas (Colombia)La generacin de sustancias cementantes le controlan la respuesta esttica y dinmica.

Castao (2002)Gmez Plata, Santa Rosa de Osos. Batolito Antioqueo Antioquia (Colombia).La evolucin de fases constituyentes correlaciona directamente con el comportamiento geomecnico del material. A mayor porcentaje de fase matricial, menor resistencia y mayor compresibilidad; mientras que al aumentar la fase cristalina, la resistencia aumenta y la compresibilidad tiende a disminuir.

La cohesin es funcin directa del porcentaje de xidos de hierro en la fase matricial.

La presencia de enlaces interparticulares y la amplia variacin de la relacin de vacos son los principales factores que afectan la resistencia al corte en los suelos tropicales.

Cuadro 2.4. Principales observaciones consignadas en investigaciones realizadas en suelos tropicales. Modificado de Cano et al., 2001.Segn la Sociedad Geolgica de Londres (1997) los suelos tropicales in situ presentan las siguientes caractersticas:

Mineraloga variable.

Fractura de granos. Estructura variable y la presencia de uniones entre partculas producida por la precipitacin de hidrxidos de hierro y aluminio durante la meteorizacin.

Variable relacin de vacos sin conexin directa con la historia de esfuerzos. Permeabilidad no relacionada con el tamao de grano y la gradacin. Discontinuidades de baja resistencia. Saturacin parcial frecuentemente a grandes profundidades.

2.6 MICROESTRUCTURA, DEFINICIN E IMPORTANCIA

El suelo es un cuerpo natural, diferenciado en horizontes constituidos por material orgnico e inorgnico, usualmente no consolidado, de profundidad variable, el cual difiere del material parental en morfologa, propiedades fsicas y qumicas, composicin y caractersticas (FitzPatrick, 1990).

La fase slida del suelo consiste de partculas de diferentes formas y tamaos, acomodadas de diferentes maneras. La acomodacin o empaquetamiento puede conducir a formar unidades cerradas o abiertas; sus partculas integrantes pueden comportarse como elementos individuales o como grupos de ellos, en dominios y agregados. La cantidad de espacio poroso, su continuidad y el tamao de los poros variarn de acuerdo con dichos procesos (FitzPatrick, 1990).

A nivel de arreglos de partculas hay que enfatizar en primer lugar en el significado del trmino microestructura y distinguirlo con el trmino microfbrica. La microestructura incluye la microfbrica, la componente mineralgica (fases minerales) y la fuerza entre partculas (Collins, 1985). La microfbrica es el componente de la microestructura que da la explicacin del arreglo espacial y de la distribucin de las partculas del suelo y la asociacin de los espacios porosos.

La cuantificacin de parmetros microestructurales es indispensable para determinar tanto la frecuencia de macro y micro estructuras como para establecer el grado de homogeneidad dentro de las muestras y entre ellas. El objetivo de los estudios microestructurales es la clasificacin y cuantificacin de varios aspectos de la masa de suelo, los cuales pueden ser correlacionados con propiedades ingenieriles (Collins, 1985).La microestructura ha sido identificada como el principal factor que controla el comportamiento y las propiedades geomecnicas del suelo (Lumb, 1962; Baynes and Dearman, 1978; Mitchell, U. K. and Sitar, N., 1982; Collins, 1985; Irfan, 1989; Bell, 1999; Smart, 1973).

En la formacin de la estructura juegan un papel preponderante los minerales secundarios, entre ellos, los aluminosilicatos arcillosos, los xidos, los hidrxidos y oxihidrxidos, los carbonatos y las sustancias orgnicas y hmicas, que sirven de cemento para unir las partculas gruesas, formando los agregados (Bligth, 1997).

2.6.1 Caracterizacin de la microfbrica

La caracterizacin de la microfbrica se realiza por medio de tres niveles fundamentales, los cuales se encuentran ligados a la escala y a los tamaos de las partculas en relacin a la magnificacin (Collins, 1985).Los tres niveles de la microfbrica propuestos por Collins (1985) se presentan a continuacin:

2.6.1.1 Nivel elementalLas partculas elementales son de tamao arcilla, limo o arena o grupos de tamao arcilla y agregados de partculas de arcilla. Se identifican dos tipos de arreglos: de arcilla y granulares, donde existen subdivisiones dentro de cada uno: al azar, paralelos, contactos limpios y contactos cementados (Figura 2.2).2.6.1.2 Nivel de ordenamientoUn gran nmero de arreglo de partculas elementales de arcillas o granulares se combinan para formar varios tipos de ensambles de partculas, los cuales son unidades de organizacin con lmites fsicos definibles. Se identifican tres tipos principales: matrices, agregados y conectores. Los poros ocurren entre los ensambles y en entre-ensambles y son llamados intra-ensamble e inter-ensamble, respectivamente (Figura 2.3).2.6.1.3 Nivel compuestoAs como los arreglos fundamentales se combinan para formar ensambles de partculas, estos ensambles individuales se combinan de varias maneras para formar la microfbrica compuesta. El nivel compuesto de la organizacin de la fbrica posee tres partes principales: la morfologa de la microfbrica compuesta, la abundancia relativa de formas individuales (refleja la heterogeneidad de la microfbrica) y a niveles diferentes el grado de anisotropa (Figura 2.4).

Figura 2.2. Nivel elemental de la microfbrica. Modificado de Collins, 1985.

Figura 2.3. Nivel de ordenamiento de la microfbrica. Modificado de Collins, 1985.

Figura 2.4. Nivel compuesto de la microfbrica. Modificado de Collins, 1985.

2.7 TCNICAS DE CARACTERIZACIN DE SUELOSAlgunas de las tcnicas comnmente utilizadas para el estudio de la composicin mineralgica y la microfbrica de los suelos con fines geotcnicos se enuncian a continuacin (Cuadro 2.5):

Anlisis qumico de xidos libres, hidrxidos, amorfos constitutivos y material orgnico.

Anlisis qumico de capas de carga, capacidad de intercambio catinico, pH y sales solubles.

Difraccin de rayos X.

Anlisis trmico diferencial y termogravimtrico. Espectroscopa infrarroja

Espectroscopia Msbawer Microscopas ptica y electrnica.

Cuadro 2.5. Tcnicas de anlisis composicional y de la microfbrica de los suelos.

En esta investigacin se utilizaron las tcnicas que se detallan a continuacin.2.7.1 Microscopa ptica de luz polarizadaUna de las tcnicas ms comnmente utilizadas en la caracterizacin de materiales en estado slido es la microscopa de luz polarizada (PLM, por sus siglas en ingls, Polarized Light Microscopy). Esta tcnica es una herramienta indispensable en muchos procesos naturales y artificiales en diferentes aplicaciones como: fases minerales presentes, proporciones, texturas, intercrecimientos, procesos de transformacin como corrosin, alteracin, tamao de grano, poros, microestructuras, fracturas, entre otras aplicaciones (Castellanos, 2000). Las caractersticas generales de esta tcnica se presentan en la Tabla 2.3.PROPIEDADMICROSCOPA PTICA

MedioLuz

Longitud de Onda700 (visible) 300 (UV) nm

PresinAtmosfrica

LentesVidrio

Angulo de apertura70

Resolucin500 200 nm

Magnificacin

10x 2000x

EnfoqueMecnico

ContrasteAbsorcin, reflexin fase mineral.

Tabla 2.3. Caractersticas de la Microscopa ptica.Las tcnicas de microscopa en luz blanca polarizada transmitida, reflejada y luz fluorescente reflejada en lminas delgadas y pulidos de suelos, permiten la determinacin muchas caractersticas.

Segn Mitchell (1976), por medio de un microscopio ptico (petrogrfico o de polarizacin, como tambin se le conoce), se pueden estudiar la identidad, tamao, forma, condicin de simples granos y agregados en el rango de tamao limo y arena, orientacin, distribucin e interrelacin de las partculas slidas, el espacio poroso, microfisuras (Figura 2.5) y el estudio de la orientacin de grupos de partculas tamao arcilla (dominios).

2.7.2 Microscopa electrnica de barrido

El primer trabajo realizado sobre examinacin de materiales geolgicos con la ayuda del microscopio electrnico de barrido fue hecho por Eitel, et al, 1939; en Smart y Tovey, 1982. Actualmente es una herramienta muy utilizada para la caracterizacin y clasificacin de este tipo de materiales.

Figura 2.5. Perfil Terra Verde, 24 m, muestra inalterada, roca grado IV de meteorizacin, impregnada al vaco con Araldite, lmina delgada (30 m de espesor). Microfisuras en azul. Micas (Biotita) de color caf. Feldespato y cuarzo incoloros.

La microscopia electrnica de barrido (SEM, por sus siglas en ingls, Scanning Electron Microscopy) es una de las tcnicas ms verstiles para la visualizacin y el anlisis de las caractersticas microestructurales de muestras slidas, debido principalmente, a su elevada resolucin (alrededor de 2 nm) y a su gran profundidad de campo, lo que permite una visualizacin tridimensional (Goldstein, 1984). Las caractersticas como tamao medio de las partculas, distribucin, morfologa, homogeneidad de su textura, cantidad aproximada y distribucin de la porosidad pueden evaluarse cuantitativamente.

2.7.2.1 El microscopio electrnico

El microscopio electrnico de barrido contiene componentes similares a los del microscopio ptico: un sistema de iluminacin, un juego de lentes y un sistema de proyeccin de la imagen (Figura 2.6); todo el conjunto se encuentra ensamblado en un sistema de alto vaco (105 Torr aprox.) con el fin de prevenir la dispersin del haz de electrones (Smart y Tovey, 1982).

Las caractersticas generales de la microscopa electrnica se presentan en la Tabla 2.4.

Figura 2.6. Componentes del microscopio electrnico de barrido.

PROPIEDADMICROSCOPA ELECTRNICA

MedioElectrones acelerados

Longitud de Onda0.7 (20Kv) 0.3 (100Kv) nm

PresinVaco

LentesMagntico, electrosttico

Angulo de apertura35

Resolucin0.2 0.3 nm

Magnificacin25x 300.000x

FocalizacinElctrico, magntico

ContrasteBarrido, absorcin, difraccin

Tabla 2.4. Caractersticas de la Microscopa Electrnica de Barrido.2.7.2.2 Interaccin electrn-muestra

En la columna de electrones estos se aceleran a travs de un campo elctrico. De esta forma adquieren energa cintica, incidiendo sobre la muestra por la accin del bombardeo, donde su disipacin produce una variedad de seales como puede observarse en la Figura 2.7. En la microscopa electrnica de barrido en cada caso se emplea un modo de operacin particular. La Tabla 2.5 muestra los modos de operar ms utilizados junto con la informacin que se puede obtener.

Figura 2.7. Interaccin entre el haz y la muestra, generacin de las diferentes seales.MODOTIPO DE SEAL

CAPTADAINFORMACINRESOLUCIN

ESPACIAL

ReflexinElectrones

RetroproyectadosComposicin

qumica cualitativa100 nm

EmisinElectrones

SecundariosTopogrfica

Contraste de voltaje

Campos elctricos

y magnticos< 5 nm

10 nm

1 m

Ctodo luminiscenciaFotonesComposicin

qumica cualitativa.

Estados de deformacin en la estructura cristalina 100 nm

ConduccinCorriente en

la muestraConductividad

Inducida100 nm

Rayos XFotonesComposicin qumica cuantitativa y semicuantitativa 1 m

AbsorcinCorriente absorbida

por la muestraTopogrfica1 m

AugerElectrones AugerComposicin qumica en la superficie1 m

TransmisinElectrones

TransmitidosRelaciones entre fases, con alta resolucin espacial1 - 10 nm

Tabla 2.5. Modos de operacin del microscopio electrnico de barrido (Goldstein, 1984).

En esta investigacin se utilizaron los modos de emisin (electrones secundarios) y de reflexin (electrones retroproyectados).

2.7.2.3 Electrones secundarios

El electrn primario (excitador) puede interaccionar con un electrn de la muestra expulsndole con una cierta cantidad de energa cintica. Si el electrn expulsado estaba dbilmente ligado, entonces emerge con solo unos pocos eV de energa y se le denomina electrn secundario (estrictamente hablando, cualquier electrn expulsado de un tomo de la muestra es un electrn secundario, cualquiera que sea su energa. No obstante, para los microscopistas, los electrones secundarios son aquellos cuya energa es menor de 50 eV). Debido a su baja energa, solo pueden escapar de la muestra y ser detectados si proceden de zonas prximas a la superficie, lo que implica que aportarn informacin acerca de la topografa de la muestra (Goldstein, 1984).Cuando los electrones primarios interaccionan con la muestra se dispersan y difunden en esta, el volumen en el que los electrones primarios interaccionan con la muestra tiene generalmente forma de pera (Figura 2.8).

Figura 2.8. Geometra del volumen de excitacin y origen de las seales. Tomado de Goldstein, 1984.Debido a la gran densidad de electrones secundarios que crea el haz primario, dichos secundarios proporcionan una relativamente alta resolucin espacial comparada con otras de las seales disponibles. Los electrones secundarios aportan poca informacin acerca de la composicin elemental de la muestra; sin embargo, su sensibilidad a la topografa y alta resolucin espacial hacen que sea la seal usada ms comnmente para hacer adquisicin de imgenes (Figura 2.9). Es esta sensibilidad a la topografa la que hace que las imgenes de electrones secundarios (IES) sean fcilmente interpretables visualmente. Los electrones secundarios tambin se generan, a veces eficientemente, por electrones dispersados fuera del rea de impacto del haz primario. Estos electrones as generados aaden ruido a la seal y degradan la calidad de las IES (Wouter, 2000).

Figura 2.9. Microscopa electrnica de barrido, seal de electrones secundarios. Perfil Terra Verde, 11.6 m, muestra inalterada, horizonte saproltico, fragmento de suelo compactado (1 cm3), proctor normal. En la imagen se puede observar la topografa de la muestra.2.7.2.4 Electrones retroproyectados

Si el electrn primario interacciona con el ncleo de un tomo en un mineral puede ser dispersado en cualquier direccin con una pequea prdida de su energa. Algunos de estos electrones vuelven a salir de la muestra (incluso despus de ms de una interaccin) permitiendo ser detectados. Estos electrones retroproyectados (BSE, por sus siglas en ingls, Back Scattering Electron) son mucho ms energticos que los electrones secundarios y as pueden emerger de zonas ms profundas dentro de la muestra. Comparados con los electrones secundarios, los retroproyectados aportan poca informacin acerca de la topografa de la muestra y su resolucin espacial es menor. Sin embargo tienen una ventaja compensatoria, aportan informacin del nmero atmico medio del volumen de la muestra en el que interaccionan (Figura 2.10). Cuanto mayor es el nmero atmico de un tomo, mayor es la carga positiva de su ncleo y mayor la probabilidad de que una interaccin produzca un BSE. La seal de BSE, por tanto, aporta cierta informacin acerca de la composicin qumica de la muestra y relaciones texturales entre los minerales como tipos de intercrecimientos, forma, tamao de los granos y vacos, entre otros (Goldstein, 1984).

Figura 2.10. Microscopa electrnica de barrido, seal de electrones de electrones retroproyectados. Perfil Terra Verde, 11.6 m, muestra inalterada, horizonte saproltico, impregnacin al vaco con resina de polister, bloque pulido, corte vertical.El campo de aplicacin de la microscopa electrnica de barrido es verdaderamente extenso. Los requisitos para las muestras en estudio suelen ser poco restrictivos y virtualmente se puede analizar cualquier muestra que no descomponga o colapse el haz de electrones o el vaco del instrumento.

Una herramienta comnmente utilizada para el procesamiento de este tipo de imgenes digitales es el anlisis de imagen. A continuacin se resumen algunos aspectos de esta tcnica, la cual es utilizada en esta investigacin para caracterizar, clasificar y comparar imgenes digitales de muestras de suelo usando valores numricos de propiedades caractersticas de la imagen.

Cualquier informacin que est en la imagen: largo, ancho, rea, permetro, irregularidades del borde de una partcula, orientacin, descriptores de forma como la redondez y la esfericidad, tiene que ser extrada (calculada) a partir de la matriz numrica que codifica la imagen, basado en procesos de tratamiento de imgenes, los cuales requieren algoritmos computacionales.

El anlisis de imagen ha sido usado en la micromorfologa de suelos con el objeto de cuantificar e identificar un gran nmero de atributos del suelo (Bui, 1991; Mc Bratney et al., 1992; Moran et al., 1989; en Bryant y Davidson, 1995). En los casos en que esta tcnica ha sido aplicada, los investigadores han encontrado muchas ventajas respecto a los mtodos microscpicos tradicionales, obteniendo datos confiables en un perodo corto de tiempo (Ringrose Voase y Bullock, 1984; Ringrose Voase y Nys, 1990; en Bryant y Davidson, 1995).

Muchos investigadores se han concentrado en la identificacin y cuantificacin de muchos aspectos de la estructura porosa del suelo, sin embrago, otros investigadores (por ejemplo, Terrible y FitzPatrick, 1992; Protz et al., 1992) tambin han sealado la importancia del uso del anlisis de imagen en el reconocimiento y cuantificacin de un rango amplio de caractersticas microestructurales del suelo, por ejemplo, forma y tamao de las partculas y los peds o agregados (Bryant y Davidson, 1995).

Otros autores, ms recientemente, han utilizado esta tcnica para el estudio microestructural de suelos y sedimentos. Yue, Chen y Tham (2003); Hu, Yeung, Lee y Wang (2000); Frost y Jan (2000); Tovey y Dadey (2002); Smart y Tovey (1988); Protz y VandenBygaart (1998); Anandarajah, Kuganenthira y Zhao (1996); Wen y Aydin (2002); Smart, Leng, Bai, y Luo (1997); Luo, Leng, Xue, Henderson, Cowan, Macleod, Smart (1998); Leng, Hounslow, Bai, Luo, Costa, Xue, Tovey y Smart (1993); Leng y Smart (1992); Smart, Leng y Bai (1992).Segn Bolton (2003), sofisticados software de anlisis de imagen permiten un reconocimiento automtico de bordes de granos y poros y su subsiguiente anlisis de tamao, forma y orientacin.

El trmino imagen se refiere a una funcin bidimensional de la intensidad de luz F(x,y), donde x e y representan las coordenadas espaciales y el valor de F en un punto cualquiera (x,y) es proporcional al brillo (nivel de gris) de la imagen en ese punto. Una imagen digital es una imagen F(x,y) que se ha discretizado tanto en sus coordenadas espaciales como en el brillo. La imagen digital se puede considerar como una matriz cuyos ndices fila y columna identifican la posicin del punto en la imagen y el valor del correspondiente elemento de la matriz indica el nivel de gris que hay en esta posicin. Los elementos de una distribucin digital de este tipo se conocen como elementos de imagen, ms comnmente llamados pxeles - picture elements - (Gonzlez, 1990; en Restrepo, 2000).

En esta investigacin se utilizaron imgenes obtenidas por medio de los microscopios ptico y electrnico de barrido. Segn Branch (1997), este ltimo permite obtener imgenes de alta resolucin, profundidad de campo y mejor definicin de los bordes de los granos minerales.

La Figura 2.11 muestra un ejemplo de una imagen digital obtenida con el microscopio electrnico de barrido (seal de electrones retroproyectados) de un corte seccional de un suelo saproltico del perfil Terra Verde y la funcin discreta F(x,y) para dicha imagen.

2.7.3 Difraccin de rayos X

La difraccin de rayos X es uno de los mtodos ms usados para la identificacin de minerales en suelos arcillosos y en el estudio de su estructura cristalina. Es el mtodo ms utilizado para la identificacin de arcillas, las cuales no pueden observarse usando equipos pticos. A causa de la longitud de onda, alrededor de 1 del mismo orden que el espaciamiento de un plano atmico en materiales cristalinos, los rayos X son eficaces para el anlisis de estructuras cristalinas (Mitchell, 1976).

El principio fundamental de la difraccin de rayos X se expresa mediante la ley de Bragg. n = 2d sen () (2.3)donde,n = orden de refraccin correspondiente al nmero de longitudes de ondas entre los rayos difundidos por planos atmicos adyacentes.

= Longitud de onda de los rayos X.

Figura 2.11 Ejemplo de una funcin discreta F(x,y). Corte seccional de un suelo saproltico del perfil Terra Verde.

d = distancia interplanar de la familia de planos paralelos que difractaron los rayos X.

= ngulo de incidencia del rayo.

El fenmeno consiste en haz de rayos X, con longitud de onda conocida, mediante el cual se bombardea un cristal, donde los electrones de los tomos constituyentes de ste difunden los rayos X en todas las direcciones provocando tres fenmenos principales (Figura 2.12):

Vibracin con una frecuencia igual a la incidente.

Absorcin de parte de la energa.

Creacin de nuevos frentes de ondas coherentes (frecuencia y longitud de onda idnticas) difundiendo as la energa como radiacin X. Dicha radiacin normalmente interfiere entre s de una forma destructiva. Sin embargo, debido a que las distancias entre los tomos regularmente espaciados dentro del cristal poseen una longitud de onda similar a los de los rayos X, se experimenta un refuerzo mutuo en algunas direcciones especficas, produciendo frentes de onda en fase, las cuales generan ondas individuales, cuyas amplitudes se suman resultando en una onda de intensidad mxima, la cual es registrada mediante un pico. De esta forma, las distancias interatmicas dentro de un cristal producirn un arreglo nico de difraccin mxima, mediante el cual se identifica cada mineral, basado en el principio de que no existen dos minerales con las mismas distancias interatmicas.

Figura 2.12. Condiciones geomtricas para difraccin de rayos X de acuerdo con la Ley de Bragg (Tomado de Mitchell, 1976).

Los diferentes minerales de las arcillas son caracterizados por refraccin basal de primer orden de 7, 10 a 15.

Esta intensidad de difraccin de rayos X depende de:

La cantidad de mineral en el volumen de suelo irradiado.

La proporcin de los granos de ese mineral que se orientan correctamente.

Varios autores han planteado que el estudio de la fbrica de los minerales se puede realizar por difraccin de rayos X, a travs de ndices de fbrica; por ejemplo, Gillott, 1970; en Mitchell (1976), plantea el ndice de Fbrica (FI), basado en las reas de los picos bajo la curva de difraccin, que puede definirse como:

(2.4)

donde,V: rea del pico basal en una lmina delgada orientada perpendicularmente al plano de orientacin.

P: rea del mismo pico pero para una lmina delgada, paralela a la orientacin de las partculas.

El rango de valores del ndice de fbrica va desde cero (0) para una orientacin preferencial, hasta 0.5 para una orientacin perfectamente aleatoria.

Un ndice similar es planteado por Yoshinaka y Kazama, 1973; en Mitchell (1976):

(2.5)

Donde,Hh y Hv son las alturas de los picos de intensidad en una seccin horizontal y vertical respectivamente.

Wh y Wv son los anchos de los picos de difraccin en una seccin horizontal y vertical respectivamente.

Otros ndices propuestos en esta investigacin, estn relacionados con la alteracin de fases minerales por procesos de meteorizacin qumica.

CAPTULO 3. METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN3.1. SELECCIN Y LOCALIZACIN DE LOS SITIOS DE MUESTREO

3.2. CARACTERIZACIN DE LOS SITIOS DE MUESTREO

3.3. TCNICAS DE SONDEO Y MUESTREO

3.4. PROGRAMA DE PREPARACIN PARA CARACTERIZACIN DE SUELOS3.5. PROGRAMA DE LABORATORIO PARA CARACTERIZACIN MICROESTRUCTURAL3.6. PROGRAMA DE LABORATORIO PARA CARACTERIZACIN GEOMECNICA3.1 SELECCIN Y LOCALIZACIN DE LOS SITIOS DE MUESTREO

La eleccin de los sitios de muestreo se defini basados en el conocimiento previo sobre los perfiles de meteorizacin en el Valle de Aburr, obtenido a partir de la informacin secundaria como proyectos de grado de diferentes universidades de la ciudad de Medelln y teniendo en cuenta la geologa local, la accesibilidad del lugar y facilidad y seguridad para el muestreo, se decidi desarrollar el programa de muestreo en la unidad litoestatigrfica conocida como Stock de San Diego. En esta unidad de rocas gneas se seleccionaron los dos perfiles de meteorizacin: Altos del Poblado y Terra Verde.

La zona de estudio se encuentra en el sector norte de la Cordillera Central de los Andes Colombianos, especficamente, en el flanco centro-oriental del Valle de Aburr, comprendida entre la quebrada Santa Helena al Norte, el Ro Medelln y sus depsitos aluviales al Occidente, la quebrada La Presidenta al Sur. (Figura 3.1).

Corresponde a la plancha del municipio de Medelln, Zona 3, sector La Candelaria, escala 1:10.000 de Planeacin Metropolitana y al interior de la zona 12 de la Microzonificacin Ssmica de Medelln.

Las Tablas 3.1 y 3.2 muestran las coordenadas de los perfiles analizados.

834.881 Este1.179.715 Norte

Tabla 3.1. Coordenadas cartesianas del perfil Terra Verde. Origen Bogot. 836.765 Este1.178.226 Norte

Tabla 3.2. Coordenadas cartesianas del perfil Altos del Poblado. Origen Bogot.Figura 3.1. Ubicacin general del rea de estudio en la vertiente oriental del Valle de Aburr. Perfil Terra Verde (P1), Altos del Poblado (P2). rea Metropolitana. Zona 12 (El Poblado). Tomado de Microzonificacin Ssmica de Medelln, 1999.3.2 CARACTERIZACIN DE LOS SITIOS DE MUESTREO

3.2.1 Marco geolgico regionalLos Andes colombianos constituyen una compleja e interesante asociacin de rocas, estructuras y procesos, que son interpretados dentro de modelos movilistas, enteramente acordes con la dinmica de la tectnica de placas. La actividad magmtica en los Andes colombianos se ha dado en grandes perodos y la presencia de batolitos y Stocks calco-alcalinos no deja de ser una caracterstica marcante en esta parte de la Cordillera Central (Ordez y Pimentel, 2001).

En el rea de estudio afloran principalmente rocas de origen gneo y metamrfico y, a nivel superficial, una serie depsitos de vertiente.

3.2.1.1 Rocas metamrficas

En el Valle de Aburr y sus alrededores afloran una gran variedad de este tipo de rocas: Ortogneis del Alto de Minas, Ortogneis de La Miel, anfibolitas, migmatitas, neises, esquistos (Ordez, 2003). Las anfibolitas se presentan en el perfil Terra Verde como un techo colgante.

3.2.1.2 Rocas gneas

Dentro de las rocas gneas se tiene el Complejo Ofioltico de Romeral que incluye los gabros de Romeral y las peridotitas, el Complejo Ofioltico de Aburr que agrupa las Dunitas de Medelln y el Metagabro del Picacho, el Stock de San Diego y el Stock de las Estancias (Ordez, 2003).

La Figura 3.3 presenta un esquema geolgico de los alrededores de Medelln y la ubicacin del Stock de San Diego.

3.2.2 MARCO GEOLGICO LOCAL

3.2.2.1 Stock de San Diego

El Stock de San Diego corresponde a un cuerpo de aproximadamente 9 km2 con forma alargada, cuyo eje principal presenta direccin NW. Con rocas de intermedias a bsicas desde cuarzodioritas (Figura 3.2 a) hasta gabros (Figura 3.2 b), son comunes las pegmatitas con grandes cristales de hornblenda (Figura 3.2 c).

Figura 3.2. Material parental perfil Terra Verde, cuarzodiorita (a). Material parental perfil Altos del Poblado, Gabro (b).

(c) Gabro pegmattico, perfil Altos del Poblado.

Esta unidad est localizada en el flanco centro-oriental del Valle de Aburr, extendindose desde los barrios Buenos Aires y El Salvador, un poco al sur de la quebrada Santa Elena, hasta los sectores de Castropol, el Hotel Intercontinental y el Mirador del Poblado, en el sur occidente de la ciudad (Rendn, 1999). Se reconocen afloramientos frescos en las zonas del barrio San Diego, en frente de las instalaciones de Pintuco S.A. y en el barrio Catalua.

Existen edades K-Ar en anfbol de 13720 y 16210 Ma (Restrepo et.al., 1991)m que no se consideran vlidas con seguridad, porque posiblemente sean anmalamente viejas por exceso de Ar radiognico (Correa y Martens, 2000).

Figura 3.3. Esquema geolgico de los alrededores de Medelln. Restrepo y Toussaint, 1984. Tomado de Machado y Salazar, 2000.3.2.2.2 Depsitos recientesLos depsitos se encuentran concentrados en ambas vertientes del valle, as como en la planicie aluvial del ro Medelln. Estos depsitos se pueden clasificar de acuerdo con los procesos geomorfolgicos asociados, destacndose al menos tres grandes grupos as: depsitos de vertiente, aluviales y aluviotorrenciales.

3.2.3 Marco geomorfolgico regionalEl rea de estudio est comprendida en su totalidad dentro de la unidad fisiogrfica Cordillera Central, en una unidad de paisaje que se ha denominado Norte de la Cordillera Central, la cual est caracterizada por la presencia de superficies de erosin hacia la parte alta de la cordillera (CAM-Idea UN, 1999; en Machado y Salazar, 2000).

En este sector existe una discontinuidad en el relieve, situada en medio de los altiplanos de Ovejas y San Nicols, conocida como el Valle de Aburr y definida por la depresin por la cual corre el Ro Porce Medelln. Dicha depresin presenta tres unidades de paisaje diferenciables, dos de vertiente y una aluvial. Dentro de las unidades de vertiente se encuentra la oriental, caracterizada por pendientes fuertes interrumpidas por una serie de cerros aislados originados por los procesos de transporte de materiales a lo largo de la misma, causados por agentes gravitacionales fundamentalmente.

Segn Cano et. al. (2001), en el Stock de San Diego se diferencian tres unidades de procesos geomorfolgicos correspondientes a mecanismos de erosin, acumulacin y combinados.3.2.4 Marco geomorfolgico local

3.2.4.1 Perfil Terra verdePequea colina de tope redondeado; su geomorfologa se encuentra ntimamente ligada a la geologa, ya que corresponde a un techo colgante de anfibolita (Figura 3.4), cubierto por depsitos de vertiente de poco espesor.

3.2.4.2 Perfil Altos del Poblado

En esta zona el cuerpo aflora como una ventana erosiva, de tope redondeado, cubierta perimetralmente por depsitos de vertiente. Las laderas se caracterizan por ser rectas y cortas, de formas convexas, descendiendo en sentido este oeste. Los drenajes presentan incisin fuerte. La zona en general presenta un alto potencial de erosin.

3.2.5 Geologa estructural

Segn Machado y Salazar (1999), en el rea de estudio correspondiente al Stock de San Diego, se han definido varios alineamientos, como el encontrado en el sector de Cauces de Oriente, donde Bernal y Jaramillo (1985) determinan una falla denominada La Pastora, que coincide con un alineamiento sobre las quebradas Los CauncesLa Pastora, con continuidad hasta un afluente de la quebrada La Presidenta (Sector va Las Palmas), de direccin N 40 - 50 E. Sobre la va Las Palmas, a la altura de La Colegiatura, se obtuvo un dato estructural correspondiente a una posible falla, con una direccin aproximada de N 60( W, buzamiento variable entre 45 y 75 al SW. Toro y Velsquez (1984), infieren una falla sobre la quebrada La Presidenta, al Sur de la zona de estudio, denominada Falla Poblado, con direccin preferencial N 45 W y una longitud de aproximadamente 5 Km.

3.2.6 Clima y vegetacinLa zona de estudio presenta una precipitacin de 1400 - 2000 mm/ao y los siguientes pisos trmicos: Templado, entre la llanura aluvial del Ro Medelln (cota 1500) y la carretera las Palmas (cota 2000), con una temperatura promedio de 22C; de este punto hasta la divisoria de aguas (cota 2750), se denomina piso trmico fro, con una temperatura promedio anual de 15 C. El uso del suelo se limita a dos elementos, uno de cobertura vegetal constituido por bosques de plantacin, bosques naturales, zonas de rastrojos y pastos y otro antrpico destinado a asentamientos urbanos, actividades industriales, comerciales e institucionales (Machado y Salazar, 2000).3.2.7 Clasificacin del perfil de meteorizacinEn el trabajo de campo se realiz una descripcin visual de los diferentes horizontes de meteorizacin: cuantificacin de los porcentajes de roca respecto a la matriz de suelo, color, espesor condicin de humedad, reaccin al HCl, consistencia, cementacin, estructuras, distribucin cualitativa de la granulometra, grado de meteorizacin y minerales presentes.

3.2.7.1 Descripcin del perfil Terra VerdeAlcanza una profundidad de 25 m, presenta una secuencia de geomateriales meteorizados con las siguientes caractersticas Lleno antrpico de 2 m de espesor, material limo arcilloso con fragmentos rocosos de diversa composicin y materiales de construccin. adems de tramos con resto vegetales descompuestos.

Paleosuelo, suelo residual enriquecido en materia orgnica, de color oscuro, con presencia de restos de vegetales.

Flujo de lodo meteorizado, con un espesor de 1.5 m de un limo arenoso correspondiente a fragmentos rocosos de un depsito totalmente meteorizado. Presenta tonalidades amarillas, manchas rojizas, algunos fragmentos de roca (anfibolita) y minerales como feldespatos y cuarzo [PM 0-30 (IV)], seguido de fragmentos rocosos de un depsito totalmente meteorizado con dimetros de hasta 40 cm, luego, un suelo de matriz arenosa parda amarillenta con bandas rojizas, presenta bloques de anfibolita de hasta 15 cm en diversos estados de meteorizacin. Los fragmentos de roca predominantes encontrados en este depsito son del orden de hasta 50 cm. Finalmente, se distingue un saprolito, limo arenoso, de color pardo claro, moteado, con presencia de recubriendo de xidos de manganeso. Se distinguen minerales micceos (biotitas), cuarzo y feldespatos [PWg 0-30 (IV-V)]. Algunas zonas presentan ncleos de suelo residual [PWg 0-30 (VI)]. 3.2.7.2 Descripcin del perfil Altos del PobladoEste perfil muestra una secuencia bastante completa de di