Introducción

Diversos estudios han demostrado que el principal mecanismo responsable de la compresibilidad no lineal de materiales granulares es la rotura de partículas (^{Vesic y Clough, 1968}; ^{Lade et al., 1996}; ^{Biarez y Hicher, 1997}; ^{Dano et al., 2017}; ^{Ovalle, 2013}). Además, es sabido que el aumento de humedad del material incrementa la magnitud de roturas y, en consecuencia, la compresibilidad (^{Oldecop y Alonso, 2003}; ^{Ovalle, 2018}). La explicación estaría dada por el fenómeno conocido en la literatura técnica como Stress Corrosion Cracking SCC, el cual establece que, en un material bajo tensión, parte de las microfisuras existentes se exponen, facilitando el ingreso de la humedad. Este proceso genera corrosión y una disminución de la resistencia al fracturamiento de las partículas de arena y agregados de roca (^{Atkinson, 1982}). Así, al incrementarse la tensión y/o la humedad, un material granular experimenta más degradación por rotura de partículas. Además, el SCC puede ser un proceso lento y generar fluencia lenta (creep) por rotura de partículas desfasada (^{Oldecop y Alonso, 2007}; ^{Ovalle et al., 2015}). En obras geotécnicas, algunas aplicaciones para el estudio de este fenómeno lo constituyen, por ejemplo, los asentamientos en el tiempo en grandes presas de material granular, o en pilotes en arena. Este fenómeno ha sido poco estudiado y existe poca información reportada acerca de la influencia de la humedad en la compresibilidad de materiales granulares.

En este trabajo se presenta un estudio experimental de laboratorio para evaluar la compresibilidad y el creep en materiales granulares con rotura de partículas. Se seleccionaron dos arenas de diferente origen y composición mineralógica, las que se ensayaron en compresión edométrica con niveles de tensión de hasta 1.6 MPa, a razón de un incremento de carga por día y en condición parcialmente saturada. La humedad de las muestras se controló mediante la técnica de control de vapor en una celda de compresión edométrica.

Materiales ensayados

Dos muestras de diferente origen y composición mineralógica fueron seleccionadas:

Fotos de los granos de las muestras se presentan en la Figura 1 y las curvas granulométricas de cada material se muestran en la Figura 2.

Figura 1 Fotos de las muestras estudiadas de: a) Colina (Sample 1) y b) Pilbara (Sample 2) 

Figura 2 Distribuciones granulométricas de las arenas ensayadas de Colina y Pilbara 

Metodología de ensayos

Se realizaron ensayos de compresión edométrica con carga constante en muestras parcialmente saturadas a distintas humedades. Los siguientes niveles de tensión vertical fueron aplicados en cada uno de los ensayos: 10, 25, 49, 98, 196, 392, 785 y 1569 kPa, a través de un incremento de carga por día. Algunos ensayos fueron inundados con agua desmineralizada 24 horas después de la tensión máxima, con el objetivo de evaluar el fenómeno de colapso y creep. Durante todos los niveles de esfuerzo aplicados la deformación fue medida y registrada a partir de 0.1 min y hasta 24 horas (1440 min).

La saturación parcial se impuso mediante la técnica de control de vapor, a través de un circuito de aire cerrado que integra la muestra en un ensayo edométrico. La humedad relativa es controlada dentro del circuito y, una vez alcanzado el equilibrio, se puede mantener constante la humedad y por lo tanto la succión en un material parcialmente saturado (^{Fredlund y Rahardjo, 1993}). La succión puede obtenerse mediante la Ley de Kelvin conociendo la temperatura T y la humedad relativa RH del aire en los poros:

donde ψ es la succión total, R es la constante universal de los gases (8.31432 J/[mol K]), v_w0 es el volumen específico del agua, o el inverso de la densidad del agua (1/ρ_w m³/kg) y ω_v es la masa molecular del vapor de agua (18.016 kg/mol).

El circuito cerrado de vapor consiste en una bomba de aire que genera un flujo circulante entre la muestra y una solución salina saturada, según se muestra en la Figura 3. El sistema incluye un control de presión para no afectar las tensiones totales en el ensayo (presión de aire < 2 kPa), además de 2 higrómetros para el monitoreo de la temperatura y humedad relativa del aire antes y después de pasar a través de la muestra de arena. La Tabla 1 muestra los valores medidos y la succión calculada mediante la ecuación (1). En la Figura 4 se presenta la variación en el tiempo de la humedad y succión para los ensayos en la arena de Colina.

Figura 3 Técnica de control de vapor: a) esquema del circuito hermético y b) circuito real 

Figura 4 Humedad relativa RH y ψ succion total medidas en muestras de Colina 

La variación de humedad de la arena en el sistema de control de vapor puede estimarse a partir de las curvas de retención de humedad. Por ejemplo, la Figura 5 muestra estas curvas para la arena de Pilbara, obtenidas en distintas fracciones de tamaño mediante el método del espejo refrigerado con un equipo WP4C (determinación del punto de rocío). El proceso se inicia con un humedecimiento progresivo de las muestras (datos en color negro), hasta alcanzar el mínimo valor de succión y por consiguiente la máxima humedad (datos en color azul) y finalmente un proceso de secado progresivo (datos en color rojo). Los resultados muestran que en los rangos de succión impuestos en el sistema de control de vapor el material de Pilbara presenta una humedad de hasta 2.5%.

Figura 5 Curvas de retención de humedad Pilbara 

Resultados y análisis

La Figura 6 presenta las curvas de comprensión edométrica obtenidas para cada muestra y para cada succión aplicada. Las muestras inundadas a la tensión máxima corresponden a los valores de succión 10 y 66 MPa para Colina y 109 MPa para Pilbara. Para ambos casos, las muestras saturadas alcanzan los mayores valores de deformación: 8.2% y 3.8% en Colina y Pilbara, respectivamente; mientras que para valores de succión mayores a 300 MPa las deformaciones son de 4.6% y 3.1% para Colina y Pilbara respectivamente.

Figura 6 Curvas de compresión edométrica para las muestras de: a) Colina y b) Pilbara 

La Figura 7 presenta las curvas de evolución de la granulometría al final de cada ensayo, donde se incluye la granulometría inicial seleccionada para cada muestra de suelo.

Figura 7 Granulometrías de las muestras de: a) Colina y b) Pilbara 

La Figura 8 muestra un ejemplo de las curvas de deformación en el tiempo obtenidas para la muestra de Colina con ψ = 334 MPa.

Figura 8 Curvas de deformación en el tiempo en arena de Colina con ψ = 334 MPa 

Como se esquematiza en la Figura 9, la compresibilidad puede caracterizarse mediante el parámetro C_c = Δe/ Δlog(σ_v), mientras que la compresibilidad secundaria, o creep, mediante C_α = Δe/Δlog(t) (^{Mesri y Vardhanabhuti, 2009}). Las Figuras 10 y 11 muestran los coeficientes C_c y C_α calculados para cada incremento de tensión en todos los ensayos. Los resultados muestran que la compresibilidad y las deformaciones por creep aumentan con la tensión aplicada y con la humedad.

Figura 9 Esquema de cálculo de los coeficientes: a) C_c y b) C_α 

Figura 10 Variación de C_c = Δe/Δlog(σ_v) versus la tensión vertical para las muestras de: a) Colina y b) Pilbara 

Figura 11 Variación de C_α = Δe/Δlog(t) versus la tensión vertical para las muestras de: a) Colina y b) Pilbara 

Según la Figura 8 y el esquema de la Figura 9, en cada incremento de tensión se generan 2 mecanismos de deformación: instantáneo y desfasado (creep). Así, la deformación puede desacoplarse en instantánea εⁱ (medida a 0.1 min en este estudio) o de creep ε^d (medida a 1440 min en este estudio). Basados en este concepto, ^{Oldecop y Alonso (2001)} propusieron un modelo constitutivo para materiales granulares incluyendo el efecto de creep debido a la rotura de partículas, donde el índice de compresibilidad en el tiempo λ^d depende de la succión, mientras que el índice de compresibilidad instantáneo λⁱ es independiente de la succión.

Las Figuras 12 y 13 muestran los valores de εⁱ y ε^d, respectivamente, para las arenas de Colina y Pilbara. En concordancia con la hipótesis de ^{Oldecop y Alonso (2001)}, en ambos materiales se obtiene una relación ε^d versus σ_v que depende de la succión. Sin embargo, en la arena de Colina se observa que la relación ε_i vs σ_v también depende de la succión, i.e. λⁱ = λⁱ(ψ).

Figura 12 Deformación instantánea εⁱ para las muestras de: a) Colina y b) Pilbara 

Figura 13 Deformación desfasada o de creep ε^d para las muestras de: a) Colina y b) Pilbara 

Conclusiones

Se presenta un estudio experimental de laboratorio del efecto de la humedad en la compresibilidad y la fluencia lenta (creep) de dos arenas con rotura de partículas, mediante ensayos edométricos en muestras parcialmente saturadas. Las principales conclusiones del estudio son las siguientes: