trabajo de grado jaime amaya 9 de mayo del 2014
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MODELO DE UN TERRAPLÉN CONSTRUIDO CON AGREGADOS DERIVADOS
DE ROCAS LODOSAS PROVENIENTES DE LA CANTERA LA REINALDA EN EL
MUNICIPIO DE SAN FRANCISCO, CUNDINAMARCA
JAIME LEONARDO AMAYA ORJUELA
UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
LINEA INVESTIGACIÓN GEOTECNIA
BOGOTÁ D.C.
2014
MODELO DE UN TERRAPLÉN CONSTRUIDO CON AGREGADOS DERIVADOS
DE ROCAS LODOSAS PROVENIENTES DE LA CANTERA LA REINALDA EN EL
MUNICIPIO DE SAN FRANCISCO CUNDINAMARCA, FORMACIÓN SIMIJACA.
JAIME LEONARDO AMAYA ORJUELA
CÓD. 3020721522
ASESOR DISCIPLINAR
ING. CHRISTIAN CAMILO GUTIÉRREZ ANGULO
Trabajo de grado como opción de grado para optar al título de ingeniero Civil
UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
LÍNEA INVESTIGACIÓN GEOTECNIA
BOGOTÁ D.C.
2014
Nota de aceptación:
Firma del Jurado
Firma del Jurado
Bogotá D.C., Junio xx de 2014
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mis padres, Jaime Alfredo Amaya Sánchez, Flor María
Orjuela y mi hermano menor Henry Esteban Amaya Orjuela quienes son todo en
mi vida.
AGRADECIMIENTOS
CARTA DE SESIÓN DE DERECHOS PARA TESIS, TRABAJOS DE GRADO YMONOGRAFÍAS DE GRADO A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
Bogotá D.C, ___ de; ___ de 2013
SeñoresUNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIABogotá D.C.
Estimados señores:
Yo, JAIME LEONARDO AMAYA ORJUELA, identificado con Cédula de ciudadanía No. 1.033.718.395de Soacha, Cundinamarca., autor del trabajo de grado nombrado “Modelo De Un Terraplén Construido Con Agregados Derivados De Rocas Lodosas Provenientes De La Cantera San Francisco Cundinamarca, Formación Simijaca” presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Civil, autorizo a la Universidad La Gran Colombia la consulta, reproducción, distribución o cualquier otra forma de uso de la obra parcial o total, con fines académicos en cualquier formato de presentación; conforme a la Ley 23 de 1962, Ley 44 de 1993, Decisión Andina 351 de 1993, Decreto 460 de 1995, Circular No. 06 de la Dirección Nacional de Derechos de Autor para las Instituciones de Educación Superior, y demás normas generales en la materia.
____________________________JAIME LEONARDO AMAYA ORJUELA.C.C. 1.033.718.395 de Soacha, Cundinamarca
GENERALIDADES
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
GEOTECNIA GRANCOLOMBIANA PARA EL DESARROLLO DE LA
INFRAESTRUCTURA FÍSICA REGIONAL SOSTENIBLE Y LA CALIDAD
DE VIDA - GGIFRS
SUBLÍNEA DE INVESTIGACIÓN
RIESGOS GEOTÉCNICOS POR INESTABILIDAD DE LADERAS Y
TALUDES – RGILT
SEMILLERO
SEMILLERO DE INVESTIGACIÓN EN GEOTECNIA UNIDA
GRANCOLOMBIANA – SIGUG II
ASESORES DEL PROYECTO
ASESOR DISCIPLINAR: ING. CHRISTIAN CAMILO GUTIÉRREZ
ANGULO
ASESOR METODOLÓGICO: LAURA MILENA CALA CRISTANCHO
AUTOR
AMAYA ORJUELA JAIME LEONARDO
BOGOTÁ, JUNIO 2014.
RESUMEN
En el territorio Colombiano existe una importante variedad de suelos, entre ellos
se destacan las rocas lodosas que están vinculadas con cerca del 80% de los
casos de remoción en masa en la cordillera de los Andes.
Se lleva a cabo la modelación de un terraplén en el software Plaxis 8.2 utilizando
las características geomecánicas de unas muestras de suelo extraídas de la
cantera Reinalda en el Municipio De San Francisco Cundinamarca, las cuales
fueron sometidas a ciclos de secado y humedecimiento para representar la
incidencia de los cambios de humedad en el material geológico cuando este
experimenta procesos de carga y descarga. Se establecieron en Plaxis diferentes
escenarios en la estructura del terraplén con el fin de conocer los mecanismos de
falla desarrollados y factor de seguridad en cada que cada uno de estos.
Se lleva a cabo la modelación de un terraplén en el software Plaxis 8.2 utilizando
muestras de suelo sometidas a ciclos de secado y humedecimiento extraídos de la
cantera Reinalda en el Municipio De San Francisco, Cundinamarca, las cuales
permiten representar la incidencia de los cambios de humedad que el material
geológico puede experimentar en procesos de carga y descarga. Para esto se
establecieron diferentes escenarios en la estructura del terraplén con el fin de
conocer los mecanismos de falla desarrollados y factor de seguridad en cada que
cada uno de estos según sus características geomecánicas
1 Tabla de contenido2 GENERALIDADES DE LA INVESTIGACIÓN..............................................15
2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.......................................................15
2.2 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN...........................................................17
2.3 JUSTIFICACIÓN.......................................................................................17
2.4 OBJETIVOS..............................................................................................19
2.4.1 OBJETIVO GENERAL........................................................................19
2.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS..............................................................19
2.5 ANTECEDENTES.....................................................................................19
3 MARCO REFERENCIAL ............................................................................24
3.1 MARCO CONCEPTUAL...........................................................................24
3.1.1 Rocas Lodosas...................................................................................24
3.1.2 Características generales de las rocas lodosas.................................25
3.1.3 Caracterización delas rocas lodosas mediante escalas espaciales.. .29
3.1.4 Concepto de un terraplén...................................................................31
3.1.5 Partes de un Terraplén.......................................................................31
3.1.6 Tipos de terraplenes...........................................................................32
3.1.7 Requisitos de los materiales...............................................................33
3.1.8 Equipo necesario en la construcción de un terraplén.........................34
3.1.9 Manejo ambiental en la construcción de un terraplén........................34
3.1.10 Método de los elementos finitos...................................................35
3.1.11 Descripción general del método de los elementos finitos y pasos
para el análisis de elementos finitos...........................................................35
3.1.12 Fundamento del MEF...................................................................36
3.1.13 Modelo de material, Mohr-Coulomb.............................................38
3.1.14 Propiedades físicas de los suelos................................................38
3.1.15 Porosidad (n)................................................................................39
3.1.16 Grado de Saturación (S)..............................................................40
3.1.17 Permeabilidad (k).........................................................................41
3.1.18 Módulo de Elasticidad (E)............................................................41
3.1.19 Cohesión (c).................................................................................42
3.1.20 Relación de Poisson (ν)...............................................................42
3.1.21 Software Plaxis............................................................................42
3.1.22 Ciclos de humedecimiento y secado............................................43
4 DISEÑO METODOLÓGICO........................................................................45
4.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN........................................................45
4.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN.......................................................................45
4.3 ANÁLISIS DE DOCUMENTOS.................................................................46
4.4 FASES DE LA INVESTIGACIÓN..............................................................47
4.4.1 Recolección de Información Secundaria............................................47
4.4.2 Recolección de información primaria acerca de las características de
las rocas lodosas y suelo derivado del mismo.............................................48
4.4.3 Análisis mediante sensibilidad de parámetros....................................48
4.4.4 Análisis de modelos obtenidos...........................................................49
5 DESARROLLODEL PROYECTO................................................................50
5.1 MODELACIÓN DE LAS ROCAS LODOSAS............................................50
5.2 PLANTEAMIENTO DEL MODELO...........................................................50
5.3 PROCESO DEL MODELO........................................................................53
5.3.1 Se indican las condiciones de contorno para el terraplén..................54
5.3.2 Definición de las propiedades fisicoquímicas del terreno natural de la
zona.54
5.3.3 Enmallado del terraplén.....................................................................55
5.3.4 Definición de puntos de análisis.........................................................60
5.3.5 Planteamiento del modelo para el terraplén constituido por material
derivado de roca lodosa..............................................................................64
5.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS...................................................................72
5.5 CONCLUSIONES.....................................................................................74
5.6 RECOMENDACIONES.............................................................................76
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1Idealización de las rocas arcillosas.....................................................21
Ilustración 2Fuente: Estructuras y componentes de una roca lodosa....................26
Ilustración 3 Relación de escalas espacio-temporales y aspectos claves para
abordar el estudio de las rocas lodosas.................................................................29
Ilustración 4 Modelo representativo para el método de elementos finitos..............36
Ilustración 5Esquema proceso de discretización...................................................37
Ilustración 6Tipos de Elementos............................................................................37
Ilustración 7Esquema de un Suelo.........................................................................38
Ilustración 8Esquema muestra representativa del Suelo.......................................40
Ilustración 9Distintos grados de saturación del suelo............................................41
Ilustración 10Asignación de material, roca lodosa y derivados de este.................52
Ilustración 11Asignación de material, roca lodosa y derivados de este.................53
Ilustración 12 Creación de la geometría y condiciones de contorno......................53
Ilustración 13Establecimiento del eje de simetría.................................................54
Ilustración 14Enmallado del terraplén....................................................................55
Ilustración 15Refinamiento del enmallado las capas de relleno.............................56
Ilustración 16Determinación del nivel freático........................................................56
Ilustración 17Exceso de presión de poros después de la construcción del muro de
contención sin drenaje...........................................................................................57
Ilustración 18Representación de la primera fase del del terraplén.........................57
Ilustración 19Deformación total para la etapa 1.....................................................58
Ilustración 20Desplazamientos totales etapa 1......................................................58
Ilustración 21Deformación total para la etapa 2.....................................................59
Ilustración 22Desplazamientos totales etapa 2......................................................59
Ilustración 23Deformación total para la etapa 3.....................................................60
Ilustración 24Desplazamientos totales etapa 3......................................................60
Ilustración 25Puntos de análisis presión de poro...................................................61
Ilustración 26Curva desplazamiento vs presión de poro para el punto A...............62
Ilustración 27Curva desplazamiento vs presión de poro para el punto B...............63
Ilustración 28Curva desplazamiento vs presión de poro para el punto C..............64
Ilustración 29 Creación de la geometría y condiciones de contorno......................65
Ilustración 30 Puntos de desplazamiento cero y eje de simetría............................65
Ilustración 31 Condiciones de contorno y eje de simetría......................................65
Ilustración 32Nivel freático.....................................................................................66
Ilustración 33 Mecanismo de falla lateral...............................................................67
Ilustración 34Diagrama de incremento de desplazamientos totales......................67
Ilustración 35Diagrama distribución de esfuerzos..................................................68
Ilustración 36 Excesos de presión intersticial presentes en la zona de
abultamiento...........................................................................................................68
Ilustración 37Exceso de presión intersticial............................................................69
Ilustración 38 Grado de saturación.........................................................................69
Ilustración 39Puntos de análisis para el modelo....................................................70
Ilustración 40Factor de seguridad contra proceso constructivo.............................70
Ilustración 41Presión de poro contra factor de seguridad en el punto de análisis A
...............................................................................................................................71
Ilustración 42Presión de poro contra factor de seguridad en el punto de análisis B
...............................................................................................................................71
Ilustración 43Presión de poro contra factor de seguridad en el punto de análisis C
...............................................................................................................................72
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 REQUISITOS DE LOS MATERIALES PARA TERRAPLENES................33
Tabla 2 Terreno natural Roca intacta.....................................................................51
Tabla 3 Roca lodosa de la cantera san francisco 1(puesto en terraplen)..............51
Tabla 4 Material cantera San Francisco después de ciclos de secado..................51
Tabla 5 Suelo Lodoso............................................................................................51
Tabla 6 Roca Lodosa.............................................................................................52
Tabla 7 Desplazamiento vs presión de poro para el punto A.................................62
Tabla 8 Desplazamiento vs presión de poro para el punto B, para los pasos
establecidos en el programa.................................................................................63
2 GENERALIDADES DE LA INVESTIGACIÓN
En este capítulo se encuentra contenido la pregunta de investigación que da
origen a este proyecto, la problemática de la cual se partió para generar el
interrogante principal, los antecedentes que llevan a la generación del problema y
la debida justificación para el desarrollo del mismo; junto con los objetivos que se
pretenden desarrollar a lo largo de la investigación.
2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Como dice Torres Suárez1, el territorio Colombiano es conocido por investigadores
del mundo enfocados en el estudio de suelos como un laboratorio natural por sus
características geológicas – geomorfológicas asociado a su diversidad ambiental,
siendo este caracterizado especialmente por los períodos de calor, precipitaciones
y demás eventos ambientales influyentes en procesos geológicos, haciendo que
este sea foco de atracción para el estudio de sus materiales geológicos diversos.
Uno de estos materiales son las rocas lodosas, las cuales durante mucho tiempo
establecen problemas en los diseños y proyectos de infraestructura que se apoyen
en este tipo de macizos rocosos, debido principalmente a que este material es por
naturaleza susceptible a degradarse o deteriorarse en cuanto a su estructura,
principalmente por meteorización o descarga, lo cual ocasiona comportamientos 1TORRES SUÁREZ, Mario Camilo. Síntesis del Estado del Conocimiento sobre el Comportamiento
Esfuerzo–Deformación y Degradabilidad de Rocas Lodosas, Bogotá, Colombia. [citado 18
octubre, 2013]. Disponible en la internet:
URL:http://www.docentes.unal.edu.co/mctorress/docs/S_ntesis_del_Estado_del_Conocimiento_sob
re_Rocas_Lodosas_Revisado.pdf
inestables que pueden ocasionar suficiente pérdida de resistencia para poder
sobrellevar la falla de las estructuras que le sean asociadas.
Este material que presenta características geomecánicas, tales como su baja
resistencia y acelerada degradación al exponerse a condiciones medio-
ambientales diferentes a las que se presentaron durante su origen, y su potencial
expansivo, propiedad que ha sido heredada del tipo de mineral arcilloso que
conforma su matriz,2 el cual se puede evidenciar principalmente en los cambios
ocasionados por procesos constructivos de obras civiles.
En Colombia es vital mejorar y tener garantías en las construcciones geotécnicas
dados sus complicados suelos, entonces incluir la modelación de terraplenes en la
mayoría de los proyectos sería una tarea que aportaría conocimientos de los
suelos colombianos, propiciando de esta manera la posibilidad de generar en un
futuro una clasificación, (compilación de estudios de rocas blandas del territorio
colombiano) que ayudaría a crear una guía del comportamiento para cada zona
respectivamente, permitiendo orientar de alguna manera diferentes situaciones
ingenieriles futuras. Entonces según lo mencionado previamente se considera el
material de la cantera la Reinalda en el municipio de San francisco,
Cundinamarca, la cual tiene material derivado de roca lodosa permitiendo
establecer las capas superior(s) del terraplén para el modelo establecido y
factores intrínsecas del material como tipo material (drenado-No drenado), peso
unitario, relación Poisson, cohesión, ángulo de fricción.
2LIS RAMÍREZ, Felipe Andrés. Aplicación de un modelo constitutivo a una roca lodosa [online]
Bogotá, Colombia 2011 [citado 14 septiembre, 2013]. Disponible en el internet:<URL:
http://www.bdigital.unal.edu.co/4459/1/296498.2011_pte_1.pdf>.
2.2 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿Cómo es el Comportamiento mecánico del material derivado de rocas lodosas
proveniente de la Cantera La Reinalda En El Municipio De San Francisco,
Cundinamarca en términos de estabilidad del terraplén mediante modelación en
Software Plaxis 8.2?
2.3 JUSTIFICACIÓN
La implementación de modelos matemáticos en construcciones ingenieriles
enfocadas en el aspecto geológico-geotécnico permite proyectar un proceso
constructivo con mayor seguridad, manejo de materiales, economía, facilidad de
construcción y tiempo de ejecución.
Es importante establecer modelos matemáticos para las situaciones ingenieriles
con el fin de inducir positivamente (al menos en cierto grado para mitigar efectos
que impliquen la pérdida de resistencia)en la estabilidad geológico–geotécnica de
este tipo de proyectos(terraplenes en rocas lodosas), los cuales permitirían
minimizar riesgos y sobrecostos debido a la poca información de las variables que
inciden en los parámetros de resistencia de este material geológico influyente
particularmente en la Cordillera Oriental de Colombia estando esté relacionado al
menos con el 80% de los procesos de remoción en masa de esta cordillera
(Montero y Cortés, 1989).3.
3JUAN MONTERO Y CORTÉS, 1989. Sociedad Colombiana de Geotecnia, edición número 15 del
Boletín Colombiano de Geotecnia.
El estudio de las rocas lodosas es de gran interés para estudios ingenieriles
enfocados en geotecnia, debido a la gran existencia de este material geológico en
el territorio colombiano, permitiendo conocer su comportamiento geomecanicanico
en los eventos medioambientales a los cuales está expuesto naturalmente,
mediante modelación matemática con el software Plaxis 8.2 aplicado en este caso
a la solución de un problema específico que involucra este tipo de rocas, como es
la zona San Francisco Cundinamarca de la formación Simijaca.
Esto se llevará a cabo con la teoría implementada por la “Federal Highway
Administration. Washington, D.C”, mediante el uso de la herramienta informática
Plaxis 8.2, la cual permite analizar escenarios que influyen en la estabilidad del
terraplén y poder determinar la incidencia de la meteorización, carga y descarga
del material en las rocas lodosas, esto mediante el análisis de muestras de suelo
sometidas a ciclos de secado y humedecimiento, aportando ideas acerca del
comportamiento de terraplenes conformados por este material geológico.
La contribución que se quiere hacer en este proyecto es una modelación y análisis
que permite explicar sucesos en el terraplén planteado, construido con agregados
derivados de rocas lodosas, en la cantera la Reinalda en el municipio de San
Francisco, Cundinamarca al estudio de las rocas lodosas teniendo en cuenta que
existe abundancia de este material rocoso, siendo un análisis útil para la
caracterización de este terreno y viable en cuanto a costos.
2.4 OBJETIVOS
2.4.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar mediante modelación numérica la estabilidad del terraplén
conformado por roca lodosa, proveniente de la cantera San Francisco
Cundinamarca de la formación Simijaca, sometidas a ciclos de
humedecimiento y secado.
2.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar las características geomecánicas del material para la modelación
del terraplén.
Analizar los factores incidentes en la estabilidad del terraplén.
Modelar el comportamiento del terraplén con este tipo de agregado
mediante el software Plaxis 8.2.
2.5 ANTECEDENTES
Todos los materiales en la naturaleza están expuestos a acciones
medioambientales como lluvia, cambios de temperatura, erosión y remoción de
material, entre otras. Las rocas lodosas son materiales especialmente susceptibles
a experimentar alteración ante este tipo de acciones y por ende han sido tratadas
como materiales degradables, es decir aquellos que al ser expuestos al aire o
sufrir cambios en los contenidos de humedad, pueden descomponerse
rápidamente (Taylor, 1948)4.
En la ingeniería civil estas rocas lodosas han dificultado el proceso constructivo de
obras de infraestructura. Un ejemplo de esto es la construcción y posterior
mantenimiento del Canal de Panamá que atraviesa la formación Cucaracha
constituida principalmente por Shales del Cretáceo (Montero, 2003)5; este tipo de
situaciones ingenieriles genera un campo de estudio interesante para la profesión
aunque significativamente costoso, los cuales están presentes en todo el mundo.
Las principales investigaciones de este material geológico de las que se tiene
conocimiento fue mencionado por Mario Camilo Torres Suarez6 , En dicha
investigación se trata sobre las bases para el estudio de lutitas, en la que
presentan su clasificación, propiedades geotécnicas, comportamiento in-situ y
concluyen sobre la gran importancia del estudio de este material debido a los
problemas geotécnicos presentes y futuros.
En el territorio Colombiano durante muchos años se conocen los procesos de
remoción en masa presentes en zonas como La Vega Villeta, Bucaramanga–
Barrancabermeja y Barbosa–Oiba, donde se presenta como material
4 TAYLOR Y SPEARS. Caracterización de Rocas Lodosas, Citado por Mario Camilo Torres Suarez.
Efectos de los Ciclos de Carga – Descarga y Humedecimiento – Secado en el Comportamiento
Geomecánico de Rocas Lodosas de los Andes Colombianos. Cap. III p. 125 JUAN M MONTERO O. Canal de Panamá, Citado por LIS RAMÍREZ, Felipe Andrés. Aplicación
de un modelo constitutivo a una roca lodosa: Bogotá: 2011 Cap. 1 p. 1. 6 TORRES SUÁREZ, Mario Camilo. Síntesis del Estado del Conocimiento sobre el Comportamiento
Esfuerzo–Deformación y Degradabilidad de Rocas Lodosas, Bogotá, Colomb[citado 18 octubre,
2013].Disponible en la
internet:<URL:http://www.docentes.unal.edu.co/mctorress/docs/S_ntesis_del_Estado_del_Conocim
iento_sobre_Rocas_Lodosas_Revisado.pdf>
predominante las rocas lodosas, haciendo interesante el estudio geotécnico de
estas zonas.
En el ámbito nacional es importante resaltar el proyecto de pregrado realizado por
Ávila Niño Ingrith Lorena, Carvajal Montañez Mildred Jhomara” Modelación
Numérica Y Análisis De Deslizamientos En Rocas Lodosas: Caso De Estudio
Alrededores De Villeta (Cundinamarca)7.”En la cual desarrollaron modelación
numérica mediante características geomecánicas establecidas en los alrededores
de Villeta, en el cual se presenta como material geológico de estudio las rocas
lodosas, para el cual desarrollaron la modelación mediante la implementación de
Software Plaxis 8.2.
7 Ingrith Lorena, Carvajal Montañez Mildred Jhomara ”Modelación Numérica Y Análisis De
Deslizamientos En Rocas Lodosas: Caso De Estudio Alrededores De Villeta (Cundinamarca),
[citado 20 octubre, 2013].Disponible en la internet:<URL:
http://biblioteca.ulagrancolombia.edu.co/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?
biblionumber=186989&shelfbrowse_itemnumber=352139#shelfbrowser>
3 MARCO REFERENCIAL
3.1 MARCO CONCEPTUAL
3.1.1 Rocas Lodosas
Se define como roca blanda a aquellos materiales de origen arcilloso o limoso que
presentan una marcada cementación y cuyo comportamiento mecánico se sitúa en
un punto intermedio entre los suelos y las rocas. Dentro de este grupo se incluyen
las argilitas, limolitas, margas, lutitas (shales) y lodolitas. La presencia de este tipo
de materiales en las obras civiles es muy común, lo que hace de especial interés
el estudio de su comportamiento bajo las solicitaciones de la obra que se pretende
llevar a cabo. 8
Otra característica de especial relevancia de las rocas blandas es que son
materiales muy evolutivos, ya que presentan una tendencia muy importante a
modificar su comportamiento, pasando de uno cercano a “tipo roca” a uno “tipo
suelo” en un corto periodo de tiempo. Esta evolución en su comportamiento
mecánico se denomina degradación. El fenómeno de degradación se caracteriza
principalmente por la pérdida de resistencia del material, cambios en su volumen
(expansiones irreversibles), pérdida de rigidez y la aparición de fisuras por
agrietamiento (pérdida de continuidad de masa) (Alonso & Alcoverro, 2004).9
8 GÓMEZ RAMÍREZ, Susana. Efecto de los cambios de succión y tensión en la
degradación de argilitas {online}. Barcelona, España, año 2009 [citado 20 octubre, 2013].
Disponible en el internet:<URL:
http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/6431/4/03.pdf>. 9 Ibid., p. 4
3.1.2 Características generales de las rocas lodosas.
Las rocas lodosas constituyen una categoría de rocas en que se agrupan
materiales como las lutitas, limolitas y demás rocas blandas sedimentarias que se
hayan originado por las presiones diagenéticos de sedimentos microscópicos del
tipo limo y arcilla; por cuenta de dichas presiones los sedimentos se agrupan
formando agregados de arcilla y limo. La estructura principal de la roca estará
conformada entonces por el conjunto de los agregados. De acuerdo con lo
mencionado previamente se tiene dos tipos de estructura: la primera sería el
arreglo interior de cada uno de los agregados conformado por los sedimentos
microscópicos del tipo arcilla y limo y en donde habría micro‐poros, este arreglo se
denominará micro‐estructura; el conjunto de agregados conformaría entonces una
macro‐estructura en donde habrá unos macroporos10.
Durante el proceso de formación de la roca o posterior a él, pueden precipitarse en
los vacíos existentes en la macro‐estructura, minerales de diversos orígenes:
silíceo, calcáreo, ferruginoso e incluso arcilloso que se constituirán en cementos
(Montero, 2003). En la Ilustración 2 se muestra una vista general de las
estructuras y de los componentes de una roca lodosa teniendo en cuenta las
hipótesis de Pinyol (2007)11
10LIS RAMÍREZ, Felipe Andrés. Aplicación de un modelo constitutivo a una roca lodosa
[online] Bogotá, Colombia 2011 [citado 14 septiembre, 2013]. Disponible en el
internet:<URL: http://www.bdigital.unal.edu.co/4459/1/296498.2011_pte_1.pdf >. 11 PINYOL ET. 2007. Caracterización de Rocas Lodosas, Citado por Mario Camilo Torres
Suarez. Efectos de los Ciclos de Carga – Descarga y Humedecimiento – Secado en el
Comportamiento Geomecánico de Rocas Lodosas de los Andes Colombianos. Cap.I p. 60
Ilustración 1Fuente: Estructuras y componentes de una roca lodosa.
Fuente: Adoptado de Núria Pinyol (2007), citado por Lis Ramirez Felipe Andrés12
Debido al origen del material cementante, este por lo general cuenta con una
mayor rigidez y resistencia que la aportada por la matriz. A este tipo de materiales
en donde se cuenta con una matriz (en este caso agregados de arcilla)
acompañados de un cemento mineral se les denomina como estructurados
(Fernández y Santa Marina, 2001). 13 Varios investigadores tales como Hsu y
Nelson en el año 1993 han demostrado que el incremento en el contenido de
cemento implica un aumento tanto en la resistencia del material como en su
rigidez inicial. 12FERNÁNDEZ Y SANTA MARINA, 2001 Estructuras y componentes de una roca lodosa.
Citado por Lis Ramírez, Felipe Andrés. Aplicación de un modelo constitutivo a una roca
lodosa [online] Bogotá, Colombia 2011 [citado 14 septiembre, 2013]. Disponible en el
internet:<URL: http://www.bdigital.unal.edu.co/4459/1/296498.2011_pte_1.pdf >. 13 Ibíd.P. 1
Este material geológico tiene como característica geomecánico más representativa
la pobre resistencia y rápida degradación cuando experimenta condiciones
medioambientales distintas a su origen, también su potencial expansivo por el
material arcilloso que conforma su matriz. Los cambios principales están ligados a
las obras de ingeniería civil, dados los diferentes eventos, nombrando algunos
tales como excavaciones, fundaciones, trabajos en laderas cambiando sus
condiciones naturales y por tanto dejándoles expuestos.
Otra de las problemáticas que plantean este tipo de materiales es su difícil
ubicación dentro de las clasificaciones tradicionales de los geo‐materiales, pues al
ser rocas blandas presentan propiedades muy similares a las exhibidas por
algunos suelos duros, lo cual conduce a denominaciones diferentes para un
mismo material. Esta dificultad se ve reflejada en la incertidumbre a la hora de
escoger los métodos de análisis para realizar un diseño, especialmente si estos
tienen un origen empírico pues la confiabilidad de sus resultados dependerá en
gran medida de la correcta clasificación del material.
Estas particularidades en el comportamiento de las rocas lodosas generan la
necesidad del desarrollo de modelos constitutivos y de aplicaciones con una
robusta formulación teórica que tengan en cuenta el origen del material y la
variación (degradación generalmente) de sus propiedades geomecánicas ante los
procesos naturales o antrópicos a los que son sometidos estos materiales. Esta es
la principal motivación del presente trabajo.
3.1.3 Caracterización delas rocas lodosas mediante escalas espaciales.
Ilustración 2 Relación de escalas espacio-temporales y aspectos claves para abordar el estudio de las
rocas lodosas
Fuente:: Propuesta por Torres y Alarcón, 2007, citado por Torres Suárez Mario Camilo14
14TORRES SUÁREZ, Mario Camilo. Síntesis del Estado del Conocimiento sobre el
Comportamiento Esfuerzo–Deformación y Degradabilidad de Rocas Lodosas, Bogotá, Colombia.
[citado 18 octubre, 2013]. Disponible en la internet:
<URL:http://www.docentes.unal.edu.co/mctorress/docs/S_ntesis_del_Estado_del_Conocimiento_s
obre_Rocas_Lodosas_Revisado.pdf>
En la mega escala, ésta metodología evalúa aspectos relacionados con procesos
diagenéticos en el ambiente de formación (geo-ambiente), que incluyen la
generación de sistemas discretos asociados a planos de discontinuidad mecánica,
además de rasgos mega estructurales debidos a actividad tectónica y procesos de
descarga, características todas que quedan impresas en el carácter de la roca.
Aspectos como procesos de erosión a gran escala recobran especial importancia
en la susceptibilidad del material al deterioro.15
En la macro escala, se analiza el sistema particulado en términos de sus fases
composicionales, es decir la identificación de la matriz y la estructura que ofrece
estabilidad mecánica al material ya que es en esta escala en donde se realizan los
ensayos de laboratorio (muestras de mano – sistema particulado). La respuesta
mecánica del geo-material, determinada en esta escala, está en íntima relación
con la respuesta esperada a nivel del macizo rocoso, por lo que la determinación
de factores de escala resulta ser un aporte valioso a una de las principales
incertidumbres que aún enfrenta la ingeniería de rocas, como es la asignación de
propiedades mecánicas a la masa rocosa.16
En la microescala se aborda el estudio de la estructura interna en la que se
observa el arreglo de partículas o agregados y su relación con el cementante o
bonding entre ellos. También se llevan a cabo los estudios químico –
mineralógicos, determinando así la composición del material, el arreglo de
microcomponentes y las acciones iniciales del agua en cuanto a los contactos
entre partículas (efectos termo–hidro–químicos).17
15 Ibíd., P. II-9
16 TORRES SUAREZ, Mario Camilo, EFECTOS DE LOS CICLOS DE CARGA –
DESCARGA Y HUMEDECIMIENTO – SECADO EN EL COMPORTAMIENTO
GEOMECÁNICO DE ROCAS LODOSAS DE LOS ANDES COLOMBIANOS, Tesis
Doctoral, Junio de 2011 – Bogotá D.C., Colombia. Presentado en la Universidad Nacional
de Colombia
17
3.1.4 Concepto de un terraplén
Los terraplenes son grandes acumulaciones de tierra adecuadamente tratadas y
compactadas para asegurar su estabilidad y servir de soporte a la vía se
construyen en zonas de cota inferior a la prevista en proyectos mediante aportes
de tierra, pudiendo aprovechar las extraídas de las excavaciones, siempre y
cuando sean aptas.18
Son segmentos de la carretera cuya conformación requiere el depósito de
materiales provenientes de cortes o préstamos dentro de los límites de las
secciones de diseño que definen el cuerpo de la carretera que deben cumplir
requisitos de estabilidad y resistencia según estas especificaciones.
3.1.5 Partes de un Terraplén
En los terraplenes se distinguirán tres partes o zonas constitutivas:
a. Cimiento, parte del terraplén que está por debajo de la superficie original del
terreno, la que ha sido variada por el retiro de material inadecuado.
b. Núcleo, parte del terraplén comprendida entre el cimiento y la corona. El núcleo
junto con el cimiento constituye el cuerpo del terraplén.
c. Corona (capa subrasante), formada por la parte superior del terraplén,
construida en un espesor de treinta centímetros (30 cm), salvo que los planos del
proyecto o las especificaciones particulares indiquen un espesor diferente.
18UDEM, Terraplenes. {consultado 21 de Octubre del 2013}. Disponible
http://cdigital.udem.edu.co/TESIS/CD-ROM58492011/08.Capitulo3.pdf
3.1.6 Tipos de terraplenes.
Es necesario destacar que los terraplenes que se construyen en carreteras
pertenecen a uno de los siguientes tipos:
a) Terraplenes en zonas planas: Los terraplenes en zonas planas se
caracterizan por tener altura pequeña (menor de 5 metros), longitudes
grandes (hasta de varios kilómetros) y disponibilidad de espacios amplios
para la maniobra de equipos.
b) Terraplenes en zonas montañosas y escarpadas. Los terraplenes
emplazados en estas zonas se caracterizan por tener altura muy grande
(hasta de 30 metros), longitud pequeña (menor de 50 metros) y no ofrecen
espacios amplios para la maniobra de equipos.
c) Terraplenes en zonas onduladas y entre onduladas y montañosas. Tienen
características intermedias entre los dos (2) anteriores. Es muy importante
que el constructor diferencie y caracterice las zonas de emplazamiento de
los terraplenes que tiene que construir, para que pueda calcular, en la fase
de licitación, un precio unitario verdaderamente representativo de los costos
reales del proceso. 19
19ARQUBA, “Procesos Constructivos Para Terraplenes”. {En línea} Buenos Aires, Argentina.
{Consultado marzo, 2013}. Disponible: (http://www.arquba.com/monografias-de-arquitectura/obras-
civiles-procesos-constructivos/)
3.1.7 Requisitos de los materiales
Todos los materiales que se empleen en la construcción de terraplenes deberán
provenir de las excavaciones de la explanación, de préstamos laterales o de
Ffuentes aprobadas; deberán estar libres de sustancias deletéreas, de materia
orgánica, raíces y otros elementos perjudiciales cumpliendo las condiciones
establecidas en la Tabla 1. Su empleo deberá ser autorizado por el Interventor,
quien de ninguna manera permitirá la construcción de terraplenes con materiales
de características expansivas o colapsables.
Tabla 1REQUISITOS DE LOS MATERIALES PARA TERRAPLENES
Requisito de los materiales para terraplenes
CARACTERÍSTICANORMA DE ENSAYO INVIAS
SUELOS SELECCIONADOS
SUELOS ADECUADOS
SUELOS TOLERABLES
Zona de aplicación en el terraplén
Coronanúcleocimiento
Coronanúcleocimiento
Núcleocimiento
Tamaño máximoE-123 75 mm 100 mm 150 mm
Porcentaje que pasa eltamiz de 2mm(No. 10)
E-123 ≤ 80% en peso ≤ 80% en peso-
Contenido de materia orgánica E-121 0% ≤ 1% ≤ 2%
Límite líquido E-125 ≤ 30% 40% ≤ 40%
Índice plástico E-126 ≤ 10% ≤ 15% -
C.B.R. de laboratorio(Nota )
E-148 ≥10% ≥ 5% ≥ 3%
Expansión en pruebaC.B.R.
E-148 0% ≤ 2% ≤ 2%
Índice de colapso(Nota 2)
E-157 ≤ 2% ≤ 2% ≤ 2%
Contenido de salessolubles
E-158 ≤ 0.2% ≤ 0.2% -
Fuente: Instituto Nacional De Invias, Articulo 220-07 Terraplenes20
Nota 1. Los valores de C.B.R. indicados en la Tabla 1 corresponden a la densidad
mínima exigida en el numeral 220.5.2.2 del Artículo 220-07 Terraplenes.
Nota 2. El espécimen para el índice de colapso se debe fabricar con la densidad
mínima exigida en el numeral220.5.2.2 del Artículo 220-07 Terraplenes, y con la
humedad correspondiente en el lado seco de la curva de compactación.
[3.1.8] Manejo ambiental en la construcción de un terraplén.
Todas las determinaciones referentes a la construcción de terraplenes deberán ser
tomadas considerando la protección del medio ambiente y las disposiciones
vigentes sobre el particular. En particular, se deberá prestar atención al correcto
funcionamiento de los dispositivos de drenaje ya la protección vegetal de los
taludes para evitar erosiones y arrastre de partículas sólidas.
3.1.8[3.1.9] Método de los elementos finitos
El método de los elementos finitos, es un procedimiento basado en técnicas
computacionales, que puede ser usado para analizar estructuras y diferentes
sistemas continuos. Es un método numérico versátil, y que es ampliamente
aplicado para resolver problemas que cubren casi todo el espectro de análisis
ingenieriles. Sus aplicaciones comunes, incluyen el comportamiento de sistemas
estáticos, dinámicos y térmicos. Los avances en el hardware, han facilitado y
20INSTITUTO NACIONAL DE INVIAS, ARTICULO 220-07 TERRAPLENES, Bogotá, Colombia.
Citado el 7 de octubre del 2013, Disponible en la internet
<<URL:ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Normas_INV-07/
Especificaciones/Articulo220-07.pdf
aumentado la eficiencia del software de elementos finitos, para la solución de
sistemas complejos de ingeniería sobre computadores personales.21
3.1.9[3.1.10] Descripción general del método de los elementos finitos y pasos para el análisis de elementos finitos
Calcular las deformaciones, tensiones y esfuerzos con métodos clásicos de
análisis, se logra a través de la solución manual de sus ecuaciones y sus
condiciones de frontera. El uso de métodos clásicos es probablemente la mejor
forma de analizar estructuras simples; no obstante, su uso es poco aconsejable
cuando el sistema es complejo. En estos casos la mejor alternativa es usualmente
una solución obtenida con el método de los elementos finitos.
La primera diferencia entre los métodos clásicos y los elementos finitos son la
forma de ver la estructura y el consiguiente procedimiento de solución. Los
métodos clásicos consideran la estructura como continúa, cuyo comportamiento
es gobernado por ecuaciones diferenciales parciales u ordinarias. El método de
elementos finitos considera la estructura como el ensamble de un número finito de
partículas pequeñas, el comportamiento de las partículas y de toda la estructura
es obtenida por la formulación de un sistema algebraico de ecuaciones que puede
ser solucionado por medio de un computador. Las partículas de tamaño finito son
llamadas elementos finitos, los puntos donde los elementos finitos interconectados
son conocidos como nodos y el procedimiento de selección de nodos es llamado
desratización o modelización, de esta manera convirtiendo al elemento de estudio
(terraplén) en una estructura que puede ser medida por un computador, ver
ilustración4.
21CUBILLOS, Alfonso. Introducción al método de los elementos finitos{online}. Universidad
de Ibagué {citado 20 abril, 2013}. Disponible en la internet:
<http://almec.files.wordpress.com/2007/10/resumen.pdf>
Esta ilustración representa una malla o estructura de 4 nodos, la cual permite ser
analizada por el método de elementos finitos.
Ilustración 3 Modelo representativo para el método de elementos finitos.
Fuente :Introducción al método de los elementos finitos universidad de Ibagué22.
3.1.10[3.1.11] Fundamento del MEF
El MEF supone, para solucionar el problema, el dominio discretizado en
subdominios denominados elementos. El dominio se divide mediante puntos (caso
lineal), mediante líneas (caso bidimensional) o superficies (caso tridimensional)
imaginarias, de forma que el dominio total en estudio se aproxime mediante el
conjunto de porciones (elementos) en que se subdivide. Los elementos se definen
por un numero discreto de puntos, llamados nodos, que conectan entre si los
elementos. (Ilustración 5)
Ilustración 4Esquema proceso de discretización
22CUBILLOS, Alfonso. Introducción al método de los elementos finitos {online}. Universidad de
Ibagué {citado 20 abril, 2013}. Disponible en la internet:
<http://almec.files.wordpress.com/2007/10/resumen.pdf>
Fuente:Curso de “Mecánica computacional de Geotecnia, Introducción al método de los elementos
finitos23”
Lo primero que se debe saber es que los elementos finitos se dividen de un
elemento continuo en subdivisiones que se interconectan por medio de nodos,
donde estos materializan las incógnitas fundamentales del problema. (Ilustración
6).
Fuente: Cursó de Mecánica computacional de Geotecnia, Introducción al método de los elementos finitos24
[3.1.12] Modelo de material , Mohr-Coulomb.
El modelo elástico lineal Mohr-Coulomd, el cual es perfectamente elástico consta
de cinco parámetros de entrada, es decir, (E) Módulo de elasticidad del suelo, y
Cohesion (C) para la plasticidad del suelo y como un ángulo de dilatancia. Este
modelo de Mohr-Coulomb representa una aproximación 'de primer orden' de suelo
o roca como comportamiento. Se recomienda el uso de este modelo para un
primer análisis del problema considerado. Para cada capa uno estima una rigidez
media constante o una rigidez que aumenta linealmente con la profundidad,
23 Universidad Tecnológica Nacional, “Sistema inteligente, Introducción el método de elemento
finitos” Citado el 20 de junio del 2013, Disponible en la internet
<<URL:Http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/industrial/sistemasinteligentes/FFlexible/
Introduccion_al_MEF.pdf>>
24 Ibíd. P. 5
Ilustración 5Tipos de Elementos
debido a esta rigidez constante los cálculos tienden a ser relativamente rápidos y
se obtiene una primera estimación de las deformaciones.
3.1.11[3.1.13] Propiedades físicas de los suelos
El suelo es un material de elementos distinta naturaleza y está compuesto de una
mezcla entre partículas sólidas, puestas unas sobre otras y un flujo entre agua o
aire (flujo intersticial) que llena los poros.
Dentro de las propiedades del suelo se encuentra:
Fuente: Porosidad del suelo, Wikipedia.25
ESTA IMAGEN NO ESTÁ MENCIONADA EN NINGUNA PARTE DEL TEXTO…
3.1.12[3.1.14] Porosidad (n)
Representa una fracción de vacíos en el suelo, es decir, la relación entre el
volumen de vacíos(V ¿¿ v)¿ y el volumen total (V t) (Ilustración8):
25 WIKIPEDIA ENCICLOPEDIA LIBRE, Porosidad del suelo, 23 de agosto del 2013. Citado el 18 de
septiembre del 2013. Disponible en la internet: <<URL:
http://es.wikipedia.org/wiki/Porosidad_del_suelo>>
Ilustración 6Esquema de un Suelo
n=V v
V t=
V v
V V+V S......................................................................................... (2.1)
V S = Volumen del sólido.
Se pueden deducir las siguientes relaciones, a partir de la relación de fase de
porosidad:
V s=(1−n )V t.............................................................................................. (2.2)
V v=V a+V w=nV t.......................................................................................(2.3)
Ilustración 7Esquema muestra representativa del Suelo.
Fuente: Propia
3.1.13[3.1.15] Grado de Saturación (S)
Porcentaje de volumen de agua(V ¿¿w)¿ con base a los huecos en una
proporción del suelo, es decir el volumen de vacios(V ¿¿ v)¿. En la ilustración 18
se determina el esquema de los diferentes grados de saturación que puede
exponerse el suelo.
S=VwVv
…………………………………………………………………………(2.3)
Ilustración 8Distintos grados de saturación del suelo.
Fuente: Propia
3.1.14[3.1.16] Permeabilidad (k)
Capacidad que posee el suelo para trasmitir un fluido (agua) a través de los
espacios vacíos, que le permitan absorber el fluido. Depende transitoriamente del
tamaño de las partículas y del ordenamiento de las mismas.
k= qi∗A∗t .........................................................................................(2.4)
q = cantidad de agua ocurrida en un tiempo t (cm3)
i =gradiante hidráulico, el cual representa la relación entre la diferencia de niveles
(H) y distancia (L) que el agua recorre. (HL)
A = área de sección de muestra ensayada (cm2)
t = tiempo de ensayo (seg)
3.1.15[3.1.17] Módulo de Elasticidad (E)
Es determinado por los cambios que sufre un material al ser expuesto a una
acción de fuerza y donde se observa que tan rígido es el mismo. Esta dado por el
coeficiente de esfuerzo (σ ) y deformación unitaria (ε).
E=σε
(2.5)
3.1.16[3.1.18] Cohesión (c)
Definido como la atracción entre las partículas que poseen la misma tenacidad y
dureza en un suelo, haciéndolo resistente a la separación. Por consecuente, la
cohesión es mayor cuando las partículas son más finas en el terreno.
3.1.17[3.1.19] Relación de Poisson (ν)
Debido a que se somete un material a la acción de una fuerza y esta se deforma
hacia la dirección de la fuerza, se tiene la relación entre la deformación lateral y
axial que sufre el material.
ν= εlateralεaxial
(2.6)
3.1.18[3.1.20] Software Plaxis.
Aplicaciones geotécnicas requieren modelos constitutivos avanzados para la
simulación del comportamiento no lineal y comportamiento en función del tiempo
de los suelos. Además, ya que el suelo es un material de múltiples fases, se
requieren procedimientos especiales para hacer frente a las presiones de poro
hidrostática y no hidrostática en el suelo. Si bien el modelado de la propia tierra es
un tema importante, muchos proyectos de ingeniería geotécnica involucran el
modelado de estructuras y la interacción entre las estructuras y el suelo. El
Software Plaxis está equipado con características especiales para hacer frente a
los numerosos aspectos de las estructuras geotécnicas complejas.
Este software se basa en el método de elementos finitos y destinado para el
análisis bi-dimensional y tri-dimensional geotécnico de la deformación y la
estabilidad de las estructuras del suelo, así como las aguas subterráneas y el flujo
de calor, en aplicaciones geo-ingeniería, tales como la excavación, cimientos,
muros de contención y túneles.
3.1.19[3.1.21] Ciclos de humedecimiento y secado
Están directamente relacionados con los cambios de humedad que tiene el
material geológico durante un periodo de tiempo, siendo determinantes las
condiciones climáticas de la zona, pues en base a esto existirán periodos de
invierno en el cual el material geológico se encuentre con una humedad superior a
la presente en periodo de verano.
Los ciclos de humedecimiento – secado constituyen acciones que experimentan
los geo-materiales en la naturaleza y han sido reconocidos desde décadas atrás
por diversos investigadores en ciencias de la tierra y de manera particular sobre
las arcillas, lo cual fue desarrollado por Terzaghi y Peck en el año1967. Los
procesos de meteorización que afectan los materiales de la naturaleza incluyen
descarga, expansión y contracción térmica, crecimiento de cristales, extracción de
coloides y actividad orgánica, entre otros.26
26 TORRES SUAREZ, Mario Camilo, EFECTOS DE LOS CICLOS DE CARGA – DESCARGA Y
HUMEDECIMIENTO – SECADO EN EL COMPORTAMIENTO
GEOMECÁNICO DE ROCAS LODOSAS DE LOS ANDES COLOMBIANOS, Tesis Doctoral, Junio
de 2011 – Bogotá D.C., Colombia. Presentado en la Universidad Nacional de Colombia
Los cambios en las condiciones de humedad conllevan a que se generen algunos
de estos mecanismos, además de acciones químicas como hidrólisis, quelación,
carbonatación, intercambio catiónico y oxidación. No obstante el amplio espectro
de procesos que pueden afectar los materiales, la investigación se centró en dos
de ellos, uno mecánico (descargas) y otro hídrico (secado–humedecimiento), dado
el gran número de expresiones naturales que indican que estos procesos son
fundamentales en el cambio de propiedades ingenieriles para estos materiales
establecidos por Núria M.Pinyol en el año 2007.27
FALTA HACER REFERENCIA SOBRE LA CANTERA ESTUDIADA O EL
SECTOR…
27TORRES SUAREZ, Mario Camilo, EFECTOS DE LOS CICLOS DE CARGA – DESCARGA Y
HUMEDECIMIENTO – SECADO EN EL COMPORTAMIENTO
GEOMECÁNICO DE ROCAS LODOSAS DE LOS ANDES COLOMBIANOS, Tesis Doctoral, Junio
de 2011 – Bogotá D.C., Colombia. Presentado en la Universidad Nacional de Colombia
.
4 DISEÑO METODOLÓGICO
Se hace el respectivo análisis metodológico, presentando como se pretende
desarrollar la investigación en base a las problemáticas analizadas y objetivos
planteados inicialmente en el proyecto mediante las siguientes fases de
investigación.
4.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN.
Las variables manejadas en esta investigación planteada son de tipo cuantitativo,
pues se hace un análisis de datos recolectados permitiendo probar hipótesis
establecidas previamente, basándose en la medición numérica para definir las
variables más importantes según criterio geotécnico, la modelación matemática
que se quiere desarrollar generara herramientas las cuales permitirán desarrollar
soluciones a este problema.
4.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN
El tipo de investigación desarrollada en esta investigación es Ex post-facto ya que
el alcance que se pretende obtener con esta investigación, está determinado en
determinar las causas y efectos que tiene el objeto de investigación, definido por
algunas variables seleccionadas de la sección típica de un terraplén, analizando
factores que afectaron características de este, teniendo como principal
instrumento el software Plaxis, para la correspondiente modelación matemática del
terraplén con agregados de rocas lodosas en la zona San Francisco
Cundinamarca de la formación Simijaca.
[4.3] ANÁLISIS DE DOCUMENTOS.
Se hace una recolección de documentos a los cuales se obtiene acceso gracias a
Fuentes investigadas, como son:
Efecto de los cambios de succión y tensión en la degradación de argilitas,
(Documento. Universitat Politécnica de Catalunya).
Tesis de grado presentada como requisito parcial para optar al título de
Maestría en Ingeniería – Geotecnia, Felipe Andrés Lis Ramírez, I.C., 2013
¨Aplicación De Un Modelo Constitutivo A Una Roca Lodosa¨.
Desing and construction of Compacted Shale Embankments. Volume 5
Technical Guidelines, Diciembre 1979.
Unal, Mario Camilo Torres Suárez, IC, MIG, Estudiante Doctorado, Síntesis
del Estado del Conocimiento sobre el Comportamiento Esfuerzo–
Deformación y Degradabilidad de Rocas Lodosas, Bogotá, Colombia 18 de
octubre del 2013
Método de los Elementos Finitos para Análisis Estructural; Juan Tomás
Celigüeta Lizarza Dr. Ingeniero Industrial Profesor de Análisis Estructural de
la Escuela Superior de Ingenieros de San Sebastián.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, Felipe Andrés Lis Ramírez, I.C
Tesis de grado Maestría en Ingeniería geotecnia. Aplicación de un modelo
constitutivo a una roca lodosa,
4.3[4.4] FASES DE LA INVESTIGACIÓN
4.3.1[4.4.1] Recolección de Información Secundaria
Se hace una revisión bibliográfica relacionada con el tema de investigación
(antecedentes) de mayor importancia, de la cual se extrajo información que apoya
la investigación en temas como son la caracterización de las rocas lodosas,
introducción al método de los elementos finitos, ciclos de humedecimiento y
secado de la zona, modelaciones mediante el software Plaxis 8.2, con el fin de
apoyar la investigación en del material de la cantera San Francisco Cundinamarca
de la formación Simijaca y materiales sustraídos de la tesis doctoral del ingeniero
Torres Suarez Mario Camilo.
De acuerdo con lo mencionado previamente se hizo un análisis de la idealización
del material a modelar, permitiendo determinar el modelo de Mohr Coulomb. Dado
que este permite hacer una identificación inicial de las variables más incidentes en
el desarrollo del proyecto, dado que es un modelo cuyas características
principales se asemejan a las exhibidas por las rocas lodosas y las variables
geomecánicas obtenidas en la recolección de datos.
Según lo mencionado previamente y utilizando la clasificación de estructuras, este
tipo de construcciones (terraplenes) se caracterizan por poseer una estructura
continua, por lo tanto no se pueden representar sus deformaciones mediante
ecuaciones definidas, haciendo necesario para su análisis disponer de un método
que tenga en cuenta su naturaleza continua como el Método de los Elementos
Finitos (MEF).
4.3.2[4.4.2] Recolección de información primaria acerca de las características de las rocas lodosas y suelo derivado del mismo
Dada la intención del proyecto, la cual es hacer modelación numérica de un
terraplén en rocas blandas y derivados de estas, se lleva a cabo la
implementación del material analizado en la tesis doctoral del Ing. Mario Camilo
Torres “Efectos de los Ciclos de Carga - Descarga y Humedecimiento - Secado en
el comportamiento Geomecánico de Rocas Lodosas de los Andes Colombianos” ,
en la cual se presenta una caracterización de las propiedades geomecánicas de
este material geológico en condiciones intactas.
De igual manera se obtiene una caracterización de las variables geomecánicas
necesarias para la modelación del terraplén, provenientes de la cantera San
Francisco Cundinamarca de la formación Simijaca, suelos que fueron sometidos a
ciclos de humedecimiento y secado convirtiéndolos en datos interesantes para el
desarrollo del proyecto, estos datos fueron entregados por el ingeniero Christian
Camilo Gutiérrez lo cual permitió desarrollar el análisis mediante la aplicación del
software Plaxis 8.2 para este tipo de material geológico.
Las variables geomecánicas obtenidas mediante la recolección de datos que
permitieron el análisis mediante el software Plaxis 8.2 son las siguientes: tipo
material (drenado-No drenado), peso unitario insaturado, peso unitario saturado,
relación Poisson, cohesión, ángulo de fricción, coeficiente de permeabilidad,
módulos de elasticidad.
4.3.3[4.4.3] Análisis mediante sensibilidad de parámetros
Se establecen las condiciones geométricas para una sección de típica de
terraplén, para este caso la condición hace referencia a una zona plana la cual se
caracteriza por tener altura menor de 5 metros, longitudes grandes (hasta de
varios kilómetros) y disponibilidad de espacios amplios para la maniobra de
equipos. La determinación de las capas y orden en el cual se implementaran en el
desarrollo de los modelos se hará de forma ascendente, será aquella de mayor
rigidez la que se localice en la parte baja, la siguiente de mayor rigidez en la
segunda etapa de construcción y para el terraplén se establecen las capas de
suelo lodoso establecidos en la tesis doctoral de Torres Suarez Mario Camilo, el
suelo de la cantera San Francisco antes y después de los ciclos de secado, lo cual
permite entrar a manipular las variables mediante hipótesis consideradas en el
modelo que se establece en el software, Plaxis 8.2.
4.3.4[4.4.4] Análisis de modelos obtenidos
Se hacen conclusiones y recomendaciones mediante el análisis de los datos
obtenidos, estableciendo el mecanismo de falla que afecta la estabilidad del
terraplén mediante el análisis de los resultados de la modelación, lo cual permitió
definir los factores más incidentes desde el punto de vista geomecánico,
aportando conocimiento acerca del comportamiento del terraplén construido con
este tipo de materiales geológicos derivados de rocas lodosas establecido en esta
modelación numérica.
5 DESARROLLO DEL PROYECTO
5.1 MODELACIÓN DE LAS ROCAS LODOSAS
La intención de la siguiente modelación es analizar el comportamiento del
terraplén construido con roca intacta del suelo, rocas lodosas y suelos derivados
de estas mismas en base al material analizado en la tesis doctoral del Ing. Mario
Camilo Torres “Efectos de los Ciclos de Carga - Descarga y Humedecimiento -
Secado en el comportamiento Geomecánico de Rocas Lodosas de los Andes
Colombianos” , en la cual se presenta una caracterización de las propiedades
geomecánicas de este material geológico en condiciones intactas. También un
segundo análisis de material proveniente de la cantera San Francisco
Cundinamarca de la formación Simijaca los cuales fueron sometidos a ciclos de
humedecimiento y secado siendo por esto determinantes en la caracterización del
comportamiento del terraplén (estabilidad del terraplén), estos datos fueron
entregados por el ingeniero Christian Camilo Gutiérrez lo cual permitió desarrollar
el análisis mediante la aplicación del software Plaxis 8.2 para este tipo de material
geológico.
5.2 PLANTEAMIENTO DEL MODELO
Se analiza un terraplén mediante la implementación del software Plaxis 8.2, con
un modelo de deformación plana donde el terreno natural es una roca lodosa.
Para el modelo planteado se usaran como terreno natural las propiedades
geomecánicas de las tesis doctoral del Ing. Mario Camilo Torres “Efectos de los
Ciclos de Carga - Descarga y Humedecimiento - Secado en el comportamiento
Geomecánico de Rocas Lodosas de los Andes Colombianos ”.El cual presenta las
siguientes características geomecánicas en las tablas 1, 2, 3, 4, 5, 6
respectivamente.
Tabla 3Roca lodosa de la cantera san francisco 1(puesto en terraplen)
Modelo Mohr-CoulombTipo No drenadoγunsat kN/m3 22.04γsat kN/m3 25.3kx m/day 1. x 10-6
ky m/day 1 x 10-5
ε ref kN/m2 1.258x106
ν - 0,44cref kN/m2 140ϕ ° 26
Fuente:Propia
Tabla 4Material cantera San Francisco después de ciclos de
secado.Modelo Mohr-CoulombTipo No drenadoγunsat kN/m3 23.2γsat kN/m3 20.78kx m/day 1 x 10-5
Tabla 2 Terreno natural Roca intacta
Modelo Mohr-CoulombTipo No drenadoγunsat kN/m3 28γsat kN/m3 30kx m/day 1 x 10-7
ky m/day 1 x 10-6
ε ref kN/m2 4 x 106
ν - 0,35cref kN/m2 300ϕ ° 25
Fuente:Torres Suarez Tesis Doc.
ky m/day 1 x 10-4
ε ref kN/m2 1.08x 106
ν - 0,44cref kN/m2 110ϕ ° 22
Fuente:PropiaTabla 5 Suelo Lodoso
Modelo Mohr-CoulombTipo No drenadoγunsat kN/m3 22γsat kN/m3 23kx m/day 1 x 10-5
ky m/day 4 x 10-4
ε ref kN/m2 1 x 106
ν - 0,35cref kN/m2 100ϕ ° 20
Fuente:TorresSuarez Tesis Doc.
Tabla 6 Roca LodosaModelo Mohr-CoulombTipo No drenadoγunsat kN/m3 24γsat kN/m3 26kx m/day 1 x 10-6
ky m/day 1 x 10-5
ε ref kN/m2 2 x 106
ν - 0,35cref kN/m2 150
ϕ ° 22Fuente:TorresSuarez Tesis Doc.
Se establecen tres capas en la construcción de la estructura, conformadas por
material del terreno natural de roca lodosa tomadas de las propiedades
geomecánicas de las tesis doctoral del Ing. Mario Camilo Torres, esto para
analizar mediante la creación de un modelo en Plaxis, permitiendo establecer las
condiciones que producen algún tipo de mecanismos de falla.
En la ilustración 10 se establecen las capas del modelo con el cual se
modela y analiza el comportamiento mecánico, definiendo estas para cada
una de las etapas del proceso constructivo.
Ilustración 9Asignación de material, roca lodosa y derivados de este.
Fuente: Propia
Roca Lodosa
Suelo cantera
puesto en terraplén
Terreno Natural, Roca intacta
De igual manera en la ilustración 11 se establecen las capas del modelo
con el cual se modela y analiza el comportamiento mecánico, definido para
cada una de las etapas del proceso constructivo.
Ilustración 10Asignación de material, roca lodosa y derivados de este.
Fuente: Propia
5.3 PROCESO DEL MODELO
A continuación se presenta el proceso de cálculo para modelar la estructura,
mediante una serie de pasos con el fin de generar etapas constructivas y analizar
la estabilidad en cada una de estas
Ilustración 11 Creación de la geometría y condiciones de contorno
Suelo de la cantera
después ciclos
Roca Lodosa
Suelo Lodoso
Fuente: Propia
5.3.1 Se indican las condiciones de contorno para el terraplén.
En cada uno de los puntos (verdes) como se indica en la ilustración se cumple que
los desplazamientos en las coordenadas X y Y serán cero, pero en la parte central
no será así, que es donde se define el eje de simetría del terraplén.
Ilustración 12Establecimiento del eje de simetría
Fuente: Propia
5.3.2 Definición de las propiedades fisicoquímicas del terreno natural de la zona.
Se establece un modelo de material Mohr Coulomb el cual me permite establecer
una primera aproximación, el cual es perfectamente plástico y consta de cinco
parámetros de entrada como son la rigidez “E”, cohesión C, ángulo de dilatancia,
Este modelo representa una aproximación de “primer orden” del comportamiento
de suelo o roca. Para cada capa se estima una rigidez media constante o una
rigidez que aumenta linealmente con la profundidad. Debido a esta rigidez media
constante los cálculos tienden a ser relativamente rápidos y se obtiene una
estimación de las deformaciones.
La ilustración 6 muestra una sección transversal de un terraplén de carretera. El
terraplén es de 9,0 m de ancho y una altura de 3,0 m, las pistas tienen una
inclinación de 2:3. El problema es simétrico, por lo cual se modela la mitad (se
elige la mitad derecha). El terraplén está compuesto por un suelo blando (rocas
lodosas), El subsuelo se compone de 3,0 m de roca lodosa y la capa superior a
este es un suelo proveniente de roca lodosa .El nivel freático se situará para varios
niveles, con el fin de determinar a qué altura el terraplén falla.
5.3.3 Enmallado del terraplén
Se procede a la realización de la malla, la cual convierte en una estructura
que podrá ser analizada mediante el método de elementos finitos. Se usa
un mallado fino para que el análisis sea de cierta manera más detallado.
Ilustración 13Enmallado del terraplén.
Fuente: Propia.
Se hace un refinamiento para las dos capas superiores, que son las que
sufren desplazamientos y se quieren analizar principalmente.
Ilustración 14Refinamiento del enmallado las capas de relleno.
Fuente: Propia
Se ingresa un escenario con nivel freático a una altura de 3 metros (desde
la base del terraplén) y establecemos el eje de simetría, el cual permite que
se trabaje con la mitad de la geometría del terraplén sin que eso afecte su
modelación como se observa en las ilustraciones.
Ilustración 15Determinación del nivel freático
Fuente: Propia
Luego de la determinación del nivel freático se hace el cálculo (diagrama),
de las presiones de poros producidas por el mismo. En el cual es claro que
la presión de poro se produce a lo largo del terraplén uniformemente en la
primera capa.
Ilustración 16Exceso de presión de poros después de la construcción del muro de contención sin
drenaje.
Fuente: Propia
Determinación de las etapas de construcción del terraplén con el fin de
conocer los posibles mecanismos de fallas o indicadores de estas en la
construcción del terraplén. Condiciones mecánicas que experimenta en
cada fase de la construcción durante el proceso constructivo.
Ilustración 17Representación de la primera fase del del terraplén.
Fuente: Propia.
Según la ilustración 7, resultado de la primera fase, allí se observa que la
malla deformada muestra una elevación inclinada hacia el centro del
terraplén (eje X), esto debido al comportamiento no drenado.
Ilustración 18Deformación total para la etapa 1
Fuente: Propia
En la evaluación de los incrementos de desplazamiento total, se puede
observar que un mecanismo de falla se está desarrollando en la parte
central de la estructura.
Ilustración 19Desplazamientos totales etapa 1
Fuente: Propia.
En la evaluación de los incrementos de desplazamiento total, se puede
observar un hundimiento del material cerca del 30% a lo largo de la capa.
Ilustración 20Deformación total para la etapa 2
Fuente: Propia
En la evaluación de los incrementos de desplazamiento total, se puede
observar que un mecanismo de falla se está desarrollando
Ilustración 21Desplazamientos totales etapa 2
Fuente: Propia
En la evaluación de los incrementos de desplazamiento total, se puede
observar un hundimiento del material en la parte superior y la pista de
inclinación, apreciado visualmente como un 12%.
Ilustración 22Deformación total para la etapa 3
Fuente: Propia
En la ilustración 24 se observa la tendencia de los desplazamientos, los
cuales están orientados en el sentido del hundimiento que experimenta el
material.
Ilustración 23Desplazamientos totales etapa 3
Fuente: Propia
5.3.4 Definición de puntos de análisis
En la ilustración 26 se muestran los puntos de análisis con el fin de
determinar diferentes relaciones entre factor de seguridad y presión de poro
en la coordenadas del terraplén: A (8.83, 6), B (0.71, 8.5), C (0.25, 0.22), D
(4.47, 8.71).
Ilustración 24Puntos de análisis presión de poro.
Fuente: Propia.
En la ilustración 27 se identifica como actúa la presión de poro en el punto
A en cada una de las fases de construcción del terraplén, en la cual se
observa una presión negativa a partir de la segunda fase de construcción
de la estructura la cual tiene inicio en 0 KN/m2 hasta llegar a - 2.2 KN/m2,
esto según los desplazamientos en cada fase de construcción. Los valores
a que hace referencia la gráfica se establecen en la tabla.
xxxx
B\
AC
Ilustración 25Curva desplazamiento vs presión de poro para el punto A
Fuente: Propia.
Tabla 7Desplazamiento vs presión de poro para el punto A.
Point Step |U| [m] Active PP [kN/m2]
0 0 0 0
1 1 0 0
2 2 0 0
3 3 0 0
4 3 1,15E+09 0
5 4 2,21E+09 0
6 5 2,21E+09 0
7 5 2,59E+09 -1,75E+14
8 6 3,31E+09 -2,12E+14
Fuente: Propia.
En la ilustración 31 se identifican como actúa la presión de poro en cada
una de las fases de construcción del terraplén, en la cual se observa una
presión negativa a partir de la segunda fase de construcción de la
estructura la cual tiene inicio en 0 KN/m2 hasta llegar a - 2.2 KN/m2, esto
según los desplazamientos en cada fase de construcción. Los valores a que
hace referencia la gráfica se establecen en la tabla XXX
Ilustración 26Curva desplazamiento vs presión de poro para el punto B
Fuente: Propia.
Tabla 8Desplazamiento vs presión de poro para el punto B, para los pasos establecidos en el
programa
Point Step |U| [m] Active PP [kN/m2]
0 0 0 0
1 1 0 0
2 2 0 0
3 3 0 0
4 3 1,15E+09 0
5 4 2,21E+09 0
6 5 2,21E+09 0
7 5 2,59E+09 0
8 6 3,31E+09 0Fuente: Propia.
En la ilustración 33 se observa que en la primera fase de construcción la
presión de poro aumenta a un valor cercano a 110KN/m2, para la segunda
fase este presión pasa de 110KN/m2 a un valor cercano a 0, luego de esto
durante la fase de construcción del terraplén la presión de poro se presenta
de forma negativa llegando a un valor aproximadamente de -30KN/m2.
Ilustración 27Curva desplazamiento vs presión de poro para el punto C
Fuente: Propia.
Tabla8 Desplazamiento vs presión de poro para el punto B, para los pasos establecidos en el
programa.
Point Step |U| [m] Active PP [kN/m2]
0 0 0 -2,78E+15
1 1 1,29E+07 5,17E+15
2 2 2,59E+07 1,31E+16
3 3 2,59E+07 1,31E+16
4 3 1,99E+07 9,10E+15
5 4 1,40E+07 5,08E+15
6 5 1,40E+07 5,08E+15
7 5 1,03E+07 -1,63E+14
8 6 1,62E+07 -2,04E+15
Fuente: Propia.
[5.3.5] Planteamiento del modelo para el terraplén constituido por material derivado de roca lodosa.
Se analizó un terraplén mediante la implementación del software Plaxis 8.2, con
un modelo de deformación plana donde el terreno natural es una roca lodosa.
Para el modelo planteado se usará como terreno natural las propiedades
geomecánicas de la cantera San Francisco Cundinamarca, Formación Simijaca
sometida a efectos Descarga y Humedecimiento – Secado.
Ilustración 28 Creación de la geometría y condiciones de contorno.
Fuente: Propia
En cada uno de los puntos (verdes) como se indica en la ilustración se cumple que
los desplazamientos en las coordenadas X y Y serán cero, pero en la parte central
no será así, que es donde se define el eje de simetría del terraplén.
Ilustración 29 Puntos de desplazamiento cero y eje de simetría.
Fuente: Propia.
Se establecen las características geomecánicas obtenidas de la cantera
San Francisco Cundinamarca formación Simijaca, con el fin desaplicarlas al
modelo con las características geométricas establecidas.
Ilustración 30 Condiciones de contorno y eje de simetría
ROCA LODOSAModelo Mohr-CoulombTipo Drenado
γunsat kN/m3 22.04γsat kN/m3 25kx m/day 0.04ky m/day 0.04Eref kN/m2 1.25x106
ν - 0,44cref kN/m2 250ϕ ° 22
Fuente: Propia
Se establece una condición de nivel freático justamente por debajo del
terraplén, con el fin de determinar el comportamiento de este material.
Ilustración 31Nivel freático
Fuente: Propia
En el proceso de modelación se evidencia un mecanismo de falla
(desplazamiento lateral) mediante el proceso establecido previamente en el
primer modelo.
Nivel freático
Ilustración 32 Mecanismo de falla lateral
Fuente: Propia
En la Ilustración 41 la pata del terraplén se evidencia un gran porcentaje
de los desplazamientos totales de la estructura.
Ilustración 33Diagrama de incremento de desplazamientos totales
Fuente: Propia
Mediante este mapa de colores se puede ver la distribución de los
esfuerzos totales en la estructura, donde se observa claramente que la
parte media-baja del terraplén experimenta los esfuerzos mayores.
Ilustración 34Diagrama distribución de esfuerzos
Fuente: Propia
En la ilustración 35, Zonas de puntos plásticos se evidencia que la mayoría
de estos están presentes debajo de la pata del talud en el terraplén. En este
se evidencia que representan las mismas zonas en las cuales se
presentaron previamente la falla lateral.
Ilustración 35 Excesos de presión intersticial presentes en la zona de abultamiento.
Fuente: Propia
En la ilustración 36, “Exceso De Presión Poros” se evidencia la afectación
que genera la presión de poro en la pata del terraplén y a la derecha de
este, zona en la cual se generó un mecanismo de falla horizontal y
abultamiento del material respectivamente
Ilustración 36Exceso de presión intersticial
Fuente: Propia.
En la ilustración 36, “Exceso De Presión Poros” se evidencia la afectación
que genera la presión de poro en la pata del terraplén y a la derecha de
este, zona en la cual se generó un mecanismo de falla horizontal y
abultamiento del material respectivamente
Ilustración 37 Grado de saturación
Fuente: Propia
En la ilustración se muestran los puntos de análisis principales para el
terraplén, de los cuales se establecerá un análisis que arrojara curvas tales
como: Factor de seguridad contra proceso constructivo, Presión de poro
contra factor de seguridad en el punto de análisis A, Presión de poro contra
factor de seguridad en el punto de análisis B, Presión de poro contra factor
de seguridad en el punto de análisis C.
Ilustración 38Puntos de análisis para el modelo
Fuente: Propia.
En esta ilustración se evidencia claramente que el factor de seguridad
aumenta de manera importante en la fase de construcción de la capa del
terraplén, permitiendo analizar que ocurra un mecanismo de falla en ese
punto.
Ilustración 39Factor de seguridad contra proceso constructivo
Fuente: Propia.
En este diagrama de factor de seguridad en función de la presión de poro
se evidencia claramente que el factor de seguridad en el punto A se
A
B
C
mantiene constante con un valor de uno, lo cual permite decir que este
punto no presenta ningún mecanismo de falla.
Ilustración 40Presión de poro contra factor de seguridad en el punto de análisis A
Fuente: Propia.
De igual manera en este diagrama de factor de seguridad en el punto B en
función de la presión de poro se evidencia claramente que el factor de
seguridad se mantiene constante con un valor de uno, lo cual permite decir
que este punto no presenta ningún mecanismo de falla.
Ilustración 41Presión de poro contra factor de seguridad en el punto de análisis B
Fuente: Propia,
Este diagrama del factor de seguridad en función de la presión de poro en el
punto de análisis C, evidencia claramente que el factor de seguridad aumenta de
manera importante en la fase de construcción de la capa del terraplén, permitiendo
analizar que ocurra un mecanismo de falla en ese punto.
Ilustración 42Presión de poro contra factor de seguridad en el punto de análisis C
Fuente: Propia
5.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se determina mediante el proceso constructivo por etapas, el cual fue
implementado para este modelo, que es importante no solo tener en cuenta la
estabilidad final, sino también la estabilidad del terraplén durante la construcción.
Es indiscutible que durante de los cálculos de salida, que un mecanismo de falla
empieza a desarrollarse después de la segunda fase de construcción.
En ingeniería estructural, el factor de seguridad se define generalmente como la
relación del colapso que se implementa al realizar el trabajo. Para las estructuras
del suelo, sin embargo, esta definición no siempre es útil para terraplenes, por
ejemplo, la mayor parte de la carga es causada por el peso del suelo y un
aumento en el peso del suelo no necesariamente conduciría al colapso. Por esto
una definición de factor de seguridad en terraplenes podría ser la siguiente:
Factor de seguridad = Smaximodisponible
S necesario para el equilibrio
Donde S representa la resistencia al corte
Se analizó un terraplén mediante un modelo de deformación plana donde el
terreno natural es una roca lodosa para la cual se aplica el principio de simetría en
la modelación del terraplén por lo cual se modela únicamente la mitad del
terraplén, para este caso la derecha. Esta modelación se analiza en base a los
cambios geomecánicas producidos por ciclos de humedecimiento y secado, los
cuales simulan en cierta medida las condiciones ambientales naturales en los
suelos.
Siendo el programa Plaxis un software basado en el método de elementos finitos
se establece entonces un cálculo mediante un número de nodos igual a 6 para el
desarrollo del modelo .El modelo representa lo que ocurre realmente en tres
dimensiones en cuanto a deformaciones y esfuerzos para este caso, donde la
sección transversal tiene cargas que no cambian a lo largo de la infraestructura
(terraplén).
Este terraplén construido sobre suelos blandos presenta cierta tendencia a sufrir
expansiones laterales producidas por las presiones horizontales que se generan
en su interior. Estas presiones producen esfuerzos de corte horizontales en la
base del terraplén, los cuales han de ser resistidos por el suelo subyacente y
material de relleno, constituidos por roca lodosa y material de relleno (constituido
por suelo blando derivado de rocas lodosas) respectivamente.
Según el análisis y condiciones mencionadas previamente el comportamiento que
presento esta estructura (terraplén) en presencia de diferentes posiciones en el eje
horizontal del nivel freático, estableció una representación de la tendencia a la
posible falla del terraplén, el cual fue expuesto a una presión de poro mayor en
cada modelo establecido, esto con el fin de encontrar el punto en el cual falla el
terraplén (capa superior) y obtener los resultados de los comportamientos en la
deformación y esfuerzo en cada situación planteada.
6 CONCLUSIONES.
El mecanismo de falla que se presenta cuando se usan las características
geomecánicas del suelo proveniente de la cantera San Francisco Cundinamarca
de la formación Simijaca que es un material derivado de roca lodosa entregado
por el ingeniero Christian Camilo Gutiérrez Angulo, el cual presenta un movimiento
lateral de suelo en la pata del terraplén en el modelo establecido y un nivel freático
determinado a seis metros de la base de la estructura.
Mediante el modelo establecido se puede inferir que el nivel freático en las partes
bajas de la estructura no afecta en gran medida la estabilidad del mismo debido a
que en el diagrama de presión de poro se evidencia que ese punto presenta una
presión de poro baja , pero en la pata del terraplén según los datos determinados
en el diagrama de presión de poro y grado de saturación, se evidencia que tiende
a aumentar su grado de saturación y presión de poro en esta zona del terraplén
llevándolo a la falla mediante un mecanismo de movimiento lateral, por otra parte
en la segunda capa de la estructura se evidencia un levantamiento producto de la
presión de poro según se determina en la ilustración obtenida con el software
PLAXIS en la cual indica la presión de poro y grado de saturación a la derecha de
la pata del terraplén que produce este levantamiento de material.
La pendiente es un detonante para la perdida de estabilidad del terraplén, lo cual
establece la hipótesis que esta relación altura vertical contra distancia horizontal
en el talud del terraplén obedece en cierta medida la teoría de estabilidad de
terraplenes la cual dice que deslizamiento esta en gran medida ligado a la
pendiente del talud.
Por otra parte, se ratifica el principio del método de elementos finitos, el cual crea
una estructura en base a un número de nodos por sección, el cual tiene un
comportamiento mecánico muy similar a las propiedades geomecánicas del
material que se asignó lo cual se evidencia en el comportamiento de la estructura
echa en el programa PLAXIS “Mallado”.
Los modelos establecidos permitieron conocer el mecanismo de falla que puede
ocurrir en la construcción de un terraplén construido con agregados derivados de
rocas lodosas, como son los expuestos en la tesis Doctoral del ingeniero Torres
Suarez Mario Camilo y la cantera de San Francisco Cundinamarca, sobre un
terreno natural compuesto por roca lodosa en condiciones intactas, la cuales están
presentes en la cordillera oriental, siento está asociada el 80% de los procesos de
remoción de masa esta zona.
7 RECOMENDACIONES
La principal medida para controlar la estabilidad del terraplén en presencia de
nivel freático cerca de la capa superior de la estructura, es la implementación de
un geotextil, el cual en este caso tendría como función principal la
impermeabilización de la capa superior. También la implementación de una
pendiente suave en la parte superior del terraplén durante el proceso constructivo
de la estructura.
Manejar las condiciones a las cuales será sometido este material geológico son
determinantes al momento de ratificar la estabilidad del terraplén, pues cada
detalle que no se tenga en cuenta el proceso de carga y descarga podrá afectar
en gran medida los factores geomecánicas de la estructura, dado la gran
susceptibilidad del material al ser expuesto a condiciones medioambientales
diferentes a su estado natural.
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