CAPÍTUL O 4
Succión en el suelo
A ntes de estudi estudiar ar los los fen fenóm ómenos enos de densi densifficación cación y resisten resistenci cia a de de geom geomaterial ri ales es compactados, pactados, conviene estudiar un fenómeno físico-químico central en el comportamiento de suelos. Este fenómeno es la succión, que es una tensión interna en la estructura del material producida sobre todo por el fenómeno eno capilar, capil ar, y por otra parte parte por la la concentración ntración de sales en el agua de poros del del suelo. L a succi succión, ón, jun junto con el es esfue fuerzo de confina finamien iento y la densida idad, so son las las variab iables les de estado para el es estudio de comportamiento esfuerzo-deformación del suelo. Debido a que la succión está fuertemente relacionada con el fenómeno capilar, ésta se presenta significativamente en materiales con cierta cantidad de superficie específica de finos, es decir, con una proporción de finos igual o superior a 10 o 15% en peso. peso. L a succi succión ón es responsa responsable, ble, por ejem ejemplo, plo, por la la forma forma de campana pana de de la la curva de compa compactaci ctación, ón, por la rigidez de un suelo seco y su abrupta pérdida de resistencia ante la hidratación, por los destrozos causados por las arcillas llamadas «expansivas», incluso por el olor a agua mojada típico de los momen omentos tos previos previos al al adveni advenim miento ento de una lluvia. uvia. L a succi succión ón es, es, pues, un fen fenóm ómeno eno central central en el estudi estudio o del del comportam comportamiento ento de un material ri al,, y forma parte parte im importante portante de una una joven joven cie ciencia, ncia, rama de de la la Ing Ingen eniiería ría Civi Ci vill, llamada Mecáni cánica de de Suelos No No Saturados. Este capítulo tiene como objetivo situar al lector, por medio de un sucinto resumen, dentro del conocim cimiento ento de la succi succión, ón, su orige origen, n, tipol tipologí ogía a, magnitud y form forma as de medici dición. ón. La L a succi succión ón es es parte im importantedel marco teóri teórico co de la me metodol todolog ogíía RAM RA MCODE ODES.
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4.1 L A SUCCIÓN EN EL SUEL O
4.1.1 El fenómeno y sus componentes El estudio de la succión podría ocupar no sólo un capítulo, sino un libro completo, así que lo que sigue es breve resumen de este fenómeno, destacando la información más relevante en cuanto a geomateriales compactados. La succión es el fenómeno responsable de que se pueda construir un castillo de arena, que se pueda realizar un corte con talud prácticamente vertical en un suelo arcilloso, que las dunas se pongan duras luego deunalluvia, y que un suelo fino pueda tener valores de CBR de hasta 80%. Y a se veía en el capítulo 2 que un geomaterial se puede considerar constituido por fases, a saber: sólido, líquido y aire. Entre sólido y líquido hay una fase intermedia que representa la cantidad de líquido que absorben las partículas sólidas; más que por alguna relevancia física, esta fase intermedia es importante debido a un interés económico, como en el caso de mezclas asfálticas. Por otro lado, la interacción entre líquido—que consideraremos en lo siguiente específicamente como agua—y aire, sí tienen una significativa importancia en cuanto a un fenómeno físico que gobierna el proceso de densificación y la resistencia mecánica del geomaterial (y también su permeabilidad, aunque no es un aspecto a tratar en este libro). Las relaciones agua-aire en un geomaterial se dividen en inmiscibles y miscibles. En una relación inmiscible, agua y aire están en contacto pero sin interacción, divididos por lo que se conoce como su perficie contráctil que, según algunos entendidos (v.g. Fredlund y Morgenstern, 1977), es considerada
como una fase más de un geomaterial. Las relaciones miscibles son el aire disuelto en el agua (también llamado aire ocluido), que puede ocupar hasta 2% del volumen, y el fenómeno de equilibrio dinámico conocido como vapor de agua en el aire, último este que se determina a través del índice humedad relativa ( RH ).
Un geomaterial compactado es por excelencia un suelo no saturado. En él, la superficie contráctil está sujeta a una presión de aire, ua, que es mayor que la presión de agua, uw. La diferencia de presiones
32 (ua-uw), es referida como succión mátrica. Esta diferencia de presiones hace que la superficie contráctil se curve formando un menisco. Así, el modelo de capilaridad de Kelvin explica este fenómeno según la expresión (4.1).
(u a − u w ) =
2T s R
(4.1)
donde, T s es la tensión en la superficie contráctil, R es el radio de curvatura del menisco, que viene dado por R=r /cosα , siendo r el radio del tubo capilar
y α el ángulo de contacto agua-sólido. Cuando el radio de del tubo capilar se hace más pequeño, la succión mátrica crece, y viceversa, es por eso que los materiales más finos podrán presentar una succión más alta que los suelos gruesos. Por otra parte, cuando el suelo está saturado o está cerca de estar saturado, el radio de curvatura tiende a cero, es decir, la superficie del menisco se vuelve plana. La humedad relativa es el índice de medición dela succión en el geomaterial. Para estudiarla conviene utilizar un diagrama de estado para el agua (ver figura 4.1). Un diagrama de estado es una gráfica que define los estados (i.e., sólido, líquido, gas o vapor) de una sustancia, en este caso agua, con base en combinaciones posibles de temperatura y presión. El diagrama de estado tiene tres curvas características que demarcan fronteras. Está la curva de vaporización (AB), que establece la frontera entre estados líquido y gaseoso. La curva de fusión (AC), que demarca la frontera entre estados líquido y sólido. Finalmente, la curva de sublimación (AD), que define el límite entre estados sólido y gaseoso. También se puede apreciar el notable punto triple (A) que establece la frontera conjunta de todos los estados. De todas estas fronteras, la que va a ser de utilidad para el estudio de la succión es la curva de vaporización. AB es el lugar geométrico de temperatura-presión donde agua y vapor pueden coexistir en equilibrio. Sobre esta curva la evaporación (i.e., líquido a vapor) y la condensación (i.e., vapor a líquido) ocurren a la misma velocidad. Por un lado, la velocidad de condensación depende de la presión, y por otro, la velocidad de evaporación de la temperatura.
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Figura 4.1. Diagrama de fases para el agua (sin escala; segú n Van Haveren y Bro wn, 1972, citado p or Fredlund y Rajardho , 1993).
Figura 4.2. Ley de Dalton.
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En la atmósfera, el vapor de agua está mezclado con el aire. Sin embargo, esto no representa un inconveniente para la medición puesto que la presencia de aire no tiene efecto en el comportamiento del vapor de agua. Este fenómeno es expresado por la Ley de Presiones Parciales de Dalton. Esta ley postula que la presión de una mezcla de gases en un volumen es igual a la sumatoria de la presión de cada gas (presión parcial), como si estuviera cada uno solo en el mismo volumen (ver figura 4.2). Es decir, el comportamiento de cada gas en una mezcla es independiente de otros gases. Con base en la Ley de Dalton se puede estudiar la saturación de vapor de agua, del aire (ver figura 4.2). A una misma temperatura, la presión correspondiente a la curva de vaporización se conoce como presión parcial de de saturación, u vo , y es constante para una sustancia. A esa misma temperatura, una presión parcial ( u v ) inferior a u vo indica un desequilibrio donde el aire no está saturado de vapor de agua, es decir se vuelve vapor, y una presión parcial ( u v ) superior a u vo indica un desequilibrio donde el aire está sobresaturado de vapor de agua, esto es, se condensa. El desequilibrio significa también una alternabilidad de las velocidades de condensación y evaporación. El índice de humedad relativa ( RH ), tan usado en los reportes atmosféricos, está definido como el cociente entre la presión parcial del aire (vapor) y la presión de parcial de saturación. La humedad relativa mide, pues, la presencia de vapor de agua en el aire. Idealmente, «aire seco» es aire sin vapor de agua, y «aire húmedo» es aire con vapor de agua.
RH =
uv u vo
× 100
(4.2)
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Figura 4.3. Definición de humedad relativa según el diagrama de fases.
Según Edlefsten y Anderson (1943), la succión es el estado de energía libre del agua de suelo. Según Richards (1965), la energía libre del agua de suelo puede ser medida en términos de las presiones parciales del vapor de agua. La relación termodinámica entre la succión y la presión parcial del vapor de aguade poros puede ser descrita como:
=−
RT V wo wv
⎛ u v ⎞ ⎟ ⎝ u vo ⎠
ln⎜
donde, : succión del suelo o succión total, en kPa, V wo : volumen específico de agua (i.e. 1/ ρ w), ρ w: densidad del agua, wv : masa molecular del vapor de agua (i.e. 18.016 kg/kmol), u v : presión parcial del vapor de agua de poro (kPa),
(4.3)
36 u vo : presión de saturación del vapor de agua sobre una superficie plana de agua pura a la misma tem-
peratura (kPa) A una temperatura de 20 oC, por ejemplo, se tiene que:
⎛ u ⎞ = −135022ln⎜ v ⎟ ⎝ u vo ⎠
(4.5)
Con esta ecuación se puede trazar la gráfica de la figura 4.4. Aquí se aprecia como se generan altísimas succiones a muy baja humedad relativa, y viceversa. L a figura muestra que la succión puede ser extremadamente alta (v.g., del orden de 103 kPa, o 3 pF) para una humedad relativa de 94%. El rango de succiones de interés en Mecánica de Suelos corresponde a altas humedades relativas.
Figura 4.4. Relación entr e la hum edad relativa y la succi ón tot al.
En el suelo, es decir, en un geomaterial, la succión tiene dos componentes. Una es la mátrica [( ua-uw)], que es una función del fenómeno capilar, tal como se explicó antes, y la otra es la osmótica ( π ), que es una función de la cantidad de sales disueltas en el fluido de poros, y es escrita en términos de presión.
37 La succión total (ψ ), presentada anteriormente como energía libre, es la sumatoria de ambas componentes.
= (u a − u w ) + π
(4.6)
Los componentes de la succión se pueden describir con ayuda del índice de humedad relativa y de diagramas desistemas demedición y referencia. Sistema medido y referencia
Succión
RH
Mátrica
uv
(u a − u w )
u v1
Osmótica
u v1
π
u v0
Total
uv u v0
Figura 4.5. Succión total y sus co mponentes: succi ón mátrica y osmóti ca.
38 De estos esquemas sepueden escribir definiciones para cada componente. Succión mátrica (u v
< u v1) :
La presión parcial del vapor de agua en una superficie curvada de agua de suelo, u v , es menor que la presión parcial del vapor de agua sobre una superficie plana de la misma agua de suelo, u v1 . La disminución de la RH en el suelo debida al fenómeno capilar se conoce como succión mátrica. Succión osmótica (u v1 < u v 0 ) :
El agua de poros del suelo generalmente contiene sales disueltas (i.e., soluto). La presión de vapor de agua sobre una superficie plana de solvente, u v1 , es menor que la presión de vapor de agua sobre una superficie plana de agua pura, u v 0 . La disminución de la RH en el suelo debido a la presencia de sales disueltas se conoce como succión osmótica. Los siguientes son valores típicos de succión para suelos compactados (según Fredlund y Rahardjo, 1993). Tabla 4.1. Valores típicos de succi ón p ara suelos com pactados.
Tipo de suelo
Contenido de
Succión mátrica
Succión osmótica
Succión total
agua
(kPa)
(kPa)
(kPa)
Arcilla deRegina
30.6 (óptimo)
273
187
460
(Canadá):
28.6
354
202
556
Till glacial:
15.6 (óptimo)
310
290
600
γmax=19.24 kN/m3
13.6
556
293
849
γmax=13.81 kN/m3
4.1.2 Relación humedad-succión El contenido de agua y la succión mátrica guardan una relación muy estrecha; la succión osmótica, en cambio, no es sensible a cambios en la humedad del suelo (ver figura 4.6). A la relación entre contenido de agua y succión se le conoce como curva característica suelo-agua o SWCC, por sus siglas en
39 inglés (ver figura 4.7). Las SWCC han sido utilizadas para obtener parámetros (mecánicos e hidráulicos) para suelos no saturados a través de modelos matemáticos. Algunos modelos matemáticos se usan incluso para obtener la SWCC misma. Esta práctica es muy recurrida a pesar de la gran influencia que tiene el tipo de suelo y su historia de esfuerzos (Marinho y Stuermer, 2000), que en caso de suelos compactados se trata de la energía y método de compactación. No obstante, las SWCC son muy ilustrativas de la influencia de factores tales como la magnitud de superficie específica de los finos en el suelo, y de las trayectorias de hidratación y secado (i.e., histéresis).
Figura 4.6. Succiones total, mátrica y osmótica para un till glacial (según Krahn y Fredlund, 1972).
La figura 4.7 muestra la SWCC de un limo. Las SWCC tienen típicamente dos trayectorias, una de desecación o de secado, y otra de humedecimiento o hidratación. Estas trayectorias son distintas y mientras mayor es la superficie específica de los finos del suelo, mayor es la diferencia entre ambas. Desde succiones relativamente bajas, el suelo se va secando (i.e., perdiendo humedad) debido al incremento de la succión. L a pérdida de humedad es inapreciable para bajos niveles de succión hasta que, a partir del valor de entrada de aire (VEA), el desecamiento comienza a ser abrupto hasta que se atenúa ya para succiones muy altas, quedando un remanente de humedad llamado contenido residual de agua, θ r. El VEA está asociado a la capacidad de la superficie contráctil de impedir el paso del aire
40 cuando se está generando succión (ua mayor que uw) desde un estado húmedo hacia uno seco, de allí que la pérdida de humedad sea muy pequeña o imperceptible antes del VEA. El VEA está referido a un valor de succión. Luego de ese valor, podríamos decir que se rompe la superficie contráctil y la pérdida dehumedad seincrementa significativamente. La ganancia dehumedad con la disminución de la succión discurre por otra trayectoria; típicamente, la humedad en esta trayectoria es menor que la humedad en la trayectoria de secado, para un mismo valor de succión. Esta diferencia entre trayectorias de secado-humedecimiento se conoce como histéresis y sucede a causa de la capilaridad dentro de la irregular matriz del suelo (Taylor, 1948), así como en los cambios estructurales ocurridos durante el secado. A succiones muy bajas, la diferencia entre la humedad en la trayectoria de secado y la de humedecimiento se le ha llamado contenido residual de aire.
Figura 4.7. SWCC para un l imo.
La figura 4.7 muestra lo que es un ciclo de secado y humedecimiento. Un suelo en estado natural, así como un geomaterial compactado en sitio de obra, sufre un sin número de ciclos de secadohumedecimiento (sequía-lluvia) debido a cambios estacionales. Estos ciclos contribuyen a una mejora en la estructura del material que es un fenómeno que se denomina sobreconsolidación por ciclos estacionarios. En las carreteras, la sobreconsolidación por ciclos estacionarios de los rellenos viene a ser
41 como una cuenta de ahorros para la estructura del pavimento, un activo que vale la pena evaluar y conservar en las rehabilitaciones de vías. La influencia de la cantidad de superficie específica de los finos se puede observar en la SWCC. La figura 4.8 muestra curvas para un limo arcilloso y para una arena, dos materiales cuya superficie específica de los finos es considerablemente dispar. La arena comienza a perder humedad o a desaturarse para niveles de succión relativamente más bajos que el limo arcilloso. Aún más, para el nivel de succión en que el limo arcilloso comienza a desaturarse ya la arena se ha secado prácticamente por completo. Tal como se comenzaba a explicar en el capítulo 3 de Clasificación, la superficie específica de los finos viene a ser como la plataforma de interrelación entre el agua y los sólidos del geomaterial, mientras mayor es esta plataforma, más significativa será la influencia del cambio de humedad, o también, de succión, en la resistencia mecánica del material compactado.
Figura 4.8. SWCC para una arena y para un a arcilla.
42 4.1.3 Medición de la succión Existen al menos cinco técnicas para la medición de la succión. Su escogencia dependerá de factores tales como la componente de succión a medir, la magnitud de la succión y, desde luego, los recursos económicos y de tiempo con que se cuente. A continuación se enlistan las técnicas según la componente dela succión a medir:
Succión total o
Psicrómetro
o
Papel de filtro
Succión mátrica o
Tensiómetros
o
Traslación de ejes
Succión osmótica o
Extracción («squeezing»)
Un psicrómetro es un artefacto eléctrico de pequeñas dimensiones (entre 6 y 8 cm.) conformado por un termopar Peltier que relaciona—a través de una correlación de calibración—la temperatura de su junta con la velocidad de evaporación en la atmósfera circundante medida, en este caso la del suelo, y ésta a su vez con la humedad relativa ( RH ) en dicha atmósfera. El psicrómetro es usado para medir succiones relativamente altas y en un tiempo relativamente corto (v.g., minutos); para succiones bajas no funciona debido a la rápida condensación de la junta. Un psicrómetro como tal es relativamente económico, pero lo costoso es el equipamiento para la adquisición y procesamiento de datos. El uso del papel de filtro se basa en la concepción que éste llegará a un equilibrio con respecto al flujo de humedad de un suelo que tenga una succión específica. Este equilibrio se puede alcanzar por intercambio de vapor de agua (medición sin contacto con el suelo) o por intercambio de líquido (medición por contacto con el suelo). Luego de alcanzar el equilibrio se mide el contenido de agua del papel y se obtiene la succión correspondiente en su curva de calibración. La medición sin contacto representa la succión total, y la medición con contacto representa la succión mátrica. La técnica de papel de filtro es la más económica, aunque lo relativamente costoso es la balanza de alta precisión requerida para pesar el papel de filtro, y la más recurrida por entes e instituciones con bajo presupuesto. Sirve para medir la
43 succión en un amplio rango. Entre los inconvenientes está el largo tiempo para alcanzar el equilibrio, que usualmente toma unos 7 días; y también que las mediciones son significativamente dependientes de la pericia del operador. Un tensiómetro mide la presión negativa del agua de poros en el suelo. El aparato consiste en una copa cerámica porosa de elevado VEA, conectada a un aparato de medición de presión a través de un tubo. El tubo y la copa se llenan con agua desaireada. La copa se inserta dentro del suelo a través de un hueco practicado previamente, y se pone en buen contacto con aquel. Una vez que se alcanza el equilibrio en el sistema de medición, el agua en el tensiómetro tendrá la misma presión negativa que el agua de poros en el suelo, y este valor es la succión mátrica ya que la presión del aire es atmosférica. Los tensiómetros están limitados a succiones tan bajas como 90 kPa debido a la posibilidad de que ocurra cavitación. Los tensiómetros son generalmente usados para mediciones de campo. La presión negativa en el agua de poros del suelo se puede medir también con la técnica de traslación de ejes, que se usa para especimenes de laboratorio, ya sea de suelo no perturbado o compactado. La muestra de suelo se introduce en una cámara hermética de presión. A la muestra de suelo se le introduce una sonda que tiene una punta cerámica del alto VEA que se encuentra saturada. L a sonda se conecta con un sistema de medición de presión de tipo nulo a través de un conducto lleno con agua desaireada. Tan pronto como se inserta la sonda se registra una presión negativa (i.e., tensión) debida a la succión del suelo. La tendencia al incremento de esta presión negativa se contrarresta con una mayor presión de la cámara, hasta que se alcanza un equilibrio. La diferencia entre la presión de la cámara y la tensión registrada en el equilibrio se reporta como succión mátrica. Más modernamente, en vez de la sonda se usa la técnica de traslación de ejes con discos porosos de alto VEA en contacto con la muestra de suelo, pero el principio es el mismo; a estos equipos se les conoce como platos de presión. La aplicación de la técnica de traslación de ejes es tal vez la más costosa, pero también la más precisa y cubre además un rango amplio de valores de succión desde los más bajos hasta tan altos como 1000 kPa. La succión osmótica en un suelo se puede estimar de manera indirecta a través de la medición de la conductividad eléctrica del agua de poros del suelo. El agua pura tiene una baja conductividad en comparación con el agua de poros pues ésta contiene sales disueltas. La conductividad eléctrica del agua de poros del suelo se puede usar para indicar la concentración total de sales disueltas, la cual es
44 relacionada a su vez—vía calibración—con la succión osmótica. El agua de poros del suelo se puede extraer con un aparato de vacíos o con un aparato exprimidor de fluidos (i.e., «squeezer»). Para el lector que requiera profundizar en el tema de la succión y de la Mecánica de Suelos No Saturados, el autor recomiendael libro de los profesores Fredlund y Rahardjo titulado «Soil Mechanics for Unsaturated Soils» (J ohn Wiley and Sons, 1993), considerado internacionalmente como “la Biblia” en este tema, y de donde se condensó buena parte de este resumen. La Mecánica de Suelos No Saturados es unajoven y utilísima ciencia de la cual la Mecánica de Suelos Clásica, es decir, de suelos “sí” saturados, es sólo un caso particular. La Mecánica de Suelos «Unsat», como se conoce familiarmente en la sociedad internacional, no es muy conocida y menos practicada en Latinoamérica, a excepción un poco de México, y mucho de Brasil que es uno de los países donde esta ciencia goza de mayor desarrollo a nivel mundial. Universalmente existen dos grandes escuelas «Unsat», a saber: la americana, dirigida por el profesor D.W. Fredlund, originalmente desde la Universidad de Saskatchewan, en Canadá (aunque ya para este momento el Dr. Fredlund ya está retirado de esta casa de estudios); es una escuela técnica y—a mi juicio—bastante práctica. La otra escuela es la europea, comandada por los profesores españoles E. Alonso y A. Gens desde la Universidad de Politécnica de Cataluña, en Barcelona, España. Esta escuela es también técnica y—también a mi juicio—muy teórica. Ambas escuelas son muy fuertes y han dado grandes aportes a esta novel ciencia. La mecánica «Unsat» es llevada por un importante grupo de investigadores relativamente jóvenes que gozan de un gran espíritu de trabajo en equipo y superación. Si algún joven ingeniero quisiera dedicarse a la Mecánica de Suelos mi recomendación sería que estudiara suelos no saturados pues allí está el presente y el futuro, y sobre todo porque estámuy ligada a la Ingeniería de Pavimentos con los geomateriales compactados, y con la Ingeniería Ambiental en el tema de flujo de lixiviados de contaminantes. Actualmente, las universidades que lideran la investigación en el mundo sobre esta ciencia son, en Europa: la Universidad Politécnica de Cataluña (España), Escuela Nacional de Puentes y Caminos (Francia), Universidad de los Estudios de Trento (Italia). En América, la Universidad de Saskatchewan (Canadá), Universidad del Estado de Arizona (USA), Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro (Brasil), Escuela Politécnica de la Universidad de Sao Paulo (Brasil), y la Universidad Federal de Pernambuco (Brasil). En Asia, Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (Hong Kong). En Oceanía, Universidad de Nueva Wales del Sur (Australia).
