Determinación del esfuerzo de preconsolidación a partir del índice de liquidez y la sensibilidad de los suelos arcillosos de Pucallpa
Determination of the pre-consolidation effort from the liquidity index
and the sensitivity of the clay soils of Pucallpa
Marco Antonio Hernández Aguilar
Autora corresponsal: marco.hernandez@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-1534-428X
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú.
Miriam Rosanna Escalaya Advíncula
miriam.escalaya@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0002-0620-8633
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú.
Ronald Saúl Vega López
ronald.vega@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0009-0005-3498-5586
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú.
Correspondencia: marco.hernandez@urp.edu.pe
DOI: https://doi.org/10.31381/perfilesingenieria.v21i22.6597
ACEPTADO: 12 de octubre de 2024
Cómo citar
M. A. Hernández Aguilar, «Determinación del esfuerzo de pre consolidación a partir del índice de liquidez y la sensibilidad de los suelos arcillosos de Pucallpa»., Perfiles_Ingenieria, vol. 21, n.º 22, pp. 12–27, dic. 2024.
RESUMEN
De
este modo, se han ensayado muestras inalteradas de suelos arcillosos bien
distribuidos en la ciudad de Pucallpa, realizándose los ensayos de laboratorio de
identificación y caracterización de las muestras evaluadas, como contenido de
humedad natural, límite líquido, límite plástico, para determinar su índice de
plasticidad, además de los ensayos de compresión simple o no confinada en
muestras inalteradas e remodeladas, datos necesarios y suficientes para obtener
el Índice de Liquidez y la sensibilidad.
El
resultado de la investigación fue confirmar una metodología alterna confiable,
que demanda menor costo y tiempo para determinar el esfuerzo de preconsolidación.
Los resultados obtenidos han sido comparados con diversos ensayos de
consolidación unidimensional realizados en laboratorio con muestras de
distintos proyectos realizados en la zona de estudio.
Palabras clave: arcillas, Pucallpa, preconsolidación, sensibilidad.
Cómo citar:
M. A.
Hernández Aguilar, «Determinación del esfuerzo de pre consolidación a partir
del índice de liquidez y la sensibilidad de los suelos arcillosos de
Pucallpa»., Perfiles_Ingeniería. vol.
21, n.º 22, pp. 12–27, dic. 2024.
ABSTRACT
Currently, the preconsolidation
effort is generally determined from the one-dimensional consolidation test in
the laboratory, whose procedure is too long and requires a lot of execution
time, where one must wait between 10 to 15 days to obtain the results. However,
the United States Department of the Navy has alternative theories and formulas
to determine this parameter in a more practical way and in less time, based on
the determination of the liquidity index and the sensitivity of the soil.
Therefore, this research work will
calculate the pre-consolidation effort based on the aforementioned methodology
of fine soils (clay), a determining geotechnical parameter to calculate
settlements due to consolidation when applying a load to a structure to be
built. In this way, unaltered samples of clay soils well distributed in the
city of Pucallpa have been tested, carrying out laboratory tests for
identification and characterization of the evaluated samples, such as natural
moisture content, liquid limit, plastic limit to determine their index of
plasticity, in addition to simple or unconfined compression tests on unaltered
and remoulade samples, necessary and sufficient data to obtain the Liquidity
Index and sensitivity.
The result of the research was to
confirm a reliable alternative methodology, which requires less cost and time
to determine the pre-consolidation effort, whose results obtained have been
compared with various one-dimensional consolidation tests carried out in the
laboratory with samples from different projects carried out in the study zone.
Keywords: clays, Pucallpa, preconsolidation, sensitivity.
1.
Introducción
En esta investigación, se han analizado los suelos finos, como las
arcillas y los limos, los cuales son característicos en la región amazónica y
predominan en el entorno que rodea la ciudad de Pucallpa, especialmente en las
zonas urbanas de los distritos de Yarinacocha, Manantay y Callería. Para llevar
a cabo esta investigación, se delimitó un área de aproximadamente 85.6 km². El
proceso de investigación involucró exploraciones manuales mediante excavaciones
de calicatas, alcanzando profundidades de hasta 1.50 metros, donde se
extrajeron muestras representativas inalteradas en bloques. Posteriormente,
estas muestras fueron transportadas al laboratorio de la Universidad Ricardo
Palma para llevar a cabo los ensayos de identificación y caracterización de
mecánica de suelos.
Estos
suelos finos, cuando se encuentran saturados, presentan un problema de
asentamientos por consolidación cuando reciben carga. Estos asentamientos
empiezan a presentarse debido al drenaje del agua, haciendo que la masa de
suelo disminuya su índice de vacíos y generando el asentamiento por
consolidación, proceso lento debido a la baja permeabilidad de estos suelos
finos. Esto ocasiona la probabilidad de asentamientos diferenciales muy
considerables para las estructuras que se apoyen en aquellos estratos de suelos
finos, lo que produce una inestabilidad o colapso gradual hasta la falla de los
pórticos estructurales.
Sin embargo,
para determinar el asentamiento por consolidación, es necesario el conocimiento
del esfuerzo de preconsolidación, valor muy importante porque definirá el
estado del suelo en estudio si se encuentra Normalmente consolidado o
preconsolidado, lo que llevará al uso de la formulación adecuada para obtener
el valor esperado del asentamiento por consolidación del suelo.
Como
objetivo principal se ha determinado el esfuerzo de preconsolidación a partir
del índice de liquidez y la sensibilidad de los suelos finos arcillosos, de
tres distritos de Pucallpa (Calleria, Nanatay y Yarinacocha) utilizando la
curva propuesta por el Departamento de Marina de los Estados Unidos que, a su
vez, usa el método de estudio experimental ya que se va a determinar el efecto
que se produce en el valor del esfuerzo de preconsolidación cuando el suelo
cambia su valor de índice de liquidez y sensibilidad.
2.
Planteamiento
del problema
En el
Perú, un problema geotécnico inminente de los suelos arcillosos saturados de la
selva peruana es el fenómeno de asentamiento por consolidación que representa
la pérdida gradual del volumen del suelo debido a los esfuerzos transmitidos de
la estructura construida.
Para
determinar el asentamiento por consolidación, es determinante distinguir si el
suelo está normalmente consolidado o preconsolidado. Esto requiere calcular el
esfuerzo de preconsolidación, que representa la máxima carga que el suelo ha
soportado a lo largo de su historia. Actualmente, se puede hallar este valor
mediante el ensayo de consolidación unidimensional en laboratorio, un proceso
que puede llevar hasta dos semanas debido a las etapas de carga y descarga
aplicadas a las muestras de suelo. Además, si hay dos estratos de suelos
arcillosos debajo de la cimentación, se deben realizar ensayos de consolidación
unidimensional separados para cada estrato, lo que podría prolongar el proceso
hasta 28 días para obtener los resultados deseados.
Una
alternativa para determinar el esfuerzo de preconsolidación es calcular el
índice de liquidez (I.L) y la sensibilidad (St) del
suelo. Esto se logra mediante los ensayos de límites de consistencia del suelo
y el ensayo de compresión simple no confinada, respectivamente.
Estos
ensayos se realizan de manera rápida y práctica. El límite liquido (L.L) se
determinó con la copa de Casagrande, el límite plástico (L.P) con la plancha de
vidrio porosa o esmerilada, que nos permite determinar el índice de plasticidad
(I.P) y los ensayos de compresión simple con el equipo de compresión uniaxial. Todos
estos ensayos fueron realizados en el laboratorio geotécnico de la Universidad
Ricardo Palma. Por lo tanto, basándose en estas dos propiedades, por las que
fueron obtenidas el I.L y St, existen teorías que
permiten determinar el esfuerzo de preconsolidación.
Foto 01 y 02: Copa de
Casagrande para determinar el límite líquido y equipo de compresión simple del
LMSA de la URP
Para diseñar correctamente la cimentación de una estructura que se apoya sobre un suelo, es necesario realizar verificaciones tanto de resistencia como de deformación. Estos parámetros son necesarios para garantizar la estabilidad de la estructura a lo largo de su vida útil.
Centrándonos en los asentamientos, podemos distinguir dos tipos: el asentamiento inicial y el asentamiento por consolidación. El asentamiento por consolidación representa el más perjudicial de los dos, ya que compromete la estabilidad de las estructuras a largo plazo. A diferencia del asentamiento inicial, que ocurre durante la construcción y suele ser de menor magnitud, el asentamiento por consolidación se desarrolla a lo largo del tiempo y puede ser significativamente mayor.
Por eso, es fundamental reconocer los distintos estratos de suelo de apoyo que se verán afectados por la influencia del bulbo activo de presión de la cimentación, especialmente si dentro del área de influencia se encuentran estratos finos como las arcillas saturadas que pueden experimentar asentamiento por consolidación bajo cargas. Es esencial comprender tanto la magnitud del asentamiento como el tiempo en que se producirá ya que, de lo contrario, podría resultar en el colapso de la estructura.
4.
Antecedentes
En el año
1998, se describe un conjunto de estudios geotécnicos realizados por el Dr.
Ing. Jorge E. Alva Hurtado, donde recapitula información sobre los estratos de
suelo arcillosos como material de apoyo de cimentación para estructuras, como
reservorios de agua, hospitales, colegios, iglesias, bancos y centros comerciales.
Dentro de los estudios realizados, se ejecutaron análisis con fines de
verificación de capacidad de carga de pilotes existentes y análisis para
cimentaciones profundas mediante pilotes. Se realizaron ensayos de campo del
tipo perforaciones hasta 27m de profundidad, ensayos SPT hasta 13 metros y
ensayos de corte con veleta hasta los 12m de profundidad. Además, se probaron ensayos
de laboratorios especiales, como ensayos triaxial UU, ensayo de corte directo y
ensayo de consolidación, en el que se pudo hallar valores sobre el esfuerzo de
preconsolidacion para determinar si los estratos de suelos arcillosos se
encontraban en un estado de tensiones normalmente consolidados o preconsolidados [1].
Tabla
1
Resumen de resultado del esfuerzo de preconsolidación
5.
Marco
conceptual
5.1. Índice de liquidez
En el
ensayo de consolidación se determina el nivel de asentamiento que puede
experimentar una muestra de suelo, finos o cohesivos como las arcillas o limos plásticos
saturados, al ser sometida a una serie de incrementos de presión o cargas
durante un periodo prolongado. Este ensayo nos permite monitorear la reducción
del volumen total del suelo como respuesta a la aplicación de las cargas y su
consecuencia, que es el drenado del agua contenida dentro de este suelo fino.
La compresión es causada por el reacomodo de las partículas del suelo y la
expansión de agua o aire de los espacios vacíos.
En
general, el asentamiento es causado por cargas y se divide en dos amplias
categorías: asentamientos iniciales y el asentamiento por consolidación.
Diversos autores han atribuido la alteración significativa de las propiedades
de ciertos suelos al proceso de desecación y han explicado que este fenómeno se
debe a la transformación de minerales criptocristalinos o amorfos, junto con un
elevado nivel de hidratación.
El
identificar los suelos sensibles a sufrir cambios de propiedades es importante
durante la etapa preliminar, debido a que se puede evitar retrasos o
contratiempos y dificultades durante la construcción.
En 1936,
Terzaghi propuso una relación valiosa entre la humedad natural y los límites de
Atterberg (líquido y plástico) para evaluar la respuesta de un suelo a la
manipulación, denominada índice de liquidez
|
|
|
I.L: Índice de liquidez
W: Humedad natural
L.L: Límite líquido (%)
L.P: Límite plástico (%)
Estos suelos pueden ser extremadamente sensibles a la distribución de su estructura. En muchos depósitos naturales de suelo arcilloso, el esfuerzo resultante del ensayo a la compresión simple o no confinada disminuye significativamente al remoldar el suelo. Pese a ello, no hay cambios en el contenido de humedad.
De acuerdo con el índice de liquidez, el suelo sometido al remoldeo tendrá el siguiente comportamiento (ver tabla 2).
Tabla 2
Comportamiento del suelo, según el Índice de liquidez
5.2. Sensibilidad de las arcillas
La sensibilidad
de las arcillas se refiere a su capacidad para experimentar cambios
volumétricos significativos en respuesta a variaciones en la humedad. En el
caso de las arcillas de Pucallpa, suelen exhibir una sensibilidad notable a las
fluctuaciones de humedad. Cuando estas arcillas absorben agua, tienden a
expandirse, y cuando se secan, tienden a contraerse.
Tabla 3
Valores de sensibilidad de los suelos cohesivos
El comportamiento de la gráfica de ambos estados, tanto el inalterado como el remoldado, puede mostrar similitudes en cada ensayo realizado.
Figura 1
Compresión no confinada en arcilla inalterada y remoldada
Como alternativa para el cálculo del esfuerzo de
preconsolidación, el Departamento de Marina de Estados Unidos (1982)
proporcionó relaciones generalizadas entre el esfuerzo de preconsolidación, el
índice de liquidez y la sensibilidad de los suelos arcillosos (St). Este procedimiento ha sido recomendado por Kulhawy y Mayne (1990)
Figura 2
Variación de sp con IL y la sensibilidad(S)
5.3.
Ensayos de laboratorio
En el marco de este proyecto de investigación, se ejecutaron los siguientes ensayos experimentales, realizados dentro de las instalaciones del laboratorio de mecánica de suelos de la Universidad Ricardo Palma.
5.4. Ensayo de límites de consistencia
El ensayo de límites de consistencia, realizado mediante la metodología del MTC E110 y ASTM D4318, determinó los siguientes valores representados por zona de estudio en la tabla 4.
Tabla 4
Resultados de ensayo de laboratorio
Figura 3
5.5. Ensayo de compresión simple
La prueba
de compresión simple no confinada, según la normativa ASTM D2166-06, evalúa la
resistencia y comportamiento ante deformaciones de muestras de suelo cuando se
le aplica gradualmente una carga axial. Se realizó el ensayo para muestras
inalteradas y remoldeadas, en el que se determinó el esfuerzo de compresión máxima
para ambas condiciones. Esto permitió determinar la sensibilidad de los suelos
finos y clasificar su comportamiento como se observa en la siguiente tabla 5.
Tabla 5
Resultados de ensayo de compresión simple para muestras
inalterada y remoldeada
Figura 4
Se determinaron los valores del índice
de liquidez a partir de los ensayos de límites de consistencia (límite líquido
y limite plástico) y la humedad natural de los suelos. Además, se obtuvieron
los valores de sensibilidad de los suelos finos mediante ensayos de compresión
simple en estado natural y remoldeado. Estos datos nos permiten utilizar las
curvas propuestas por el Departamento de Marina de los Estados Unidos para
calcular el esfuerzo de preconsolidación de los suelos arcillosos en las
distintas zonas de la ciudad de Pucallpa.
6.1. Ensayo de límites de consistencia
A partir de los ensayos de límites de
consistencia y los valores de humedad natural, se determinaron los índices de
liquidez, que oscilan entre valores promedio de 0.2 a 0.4. Estos índices
indican que la consistencia del suelo cohesivo varía de firme a muy firme, como
se estandariza en la tabla 2 y se observa en la tabla 4.
6.2. Ensayo de compresión simple
Del
ensayo de compresión simple para muestras inalteradas y remoldeadas se
determinaron los esfuerzos máximos de rotura para determinar la sensibilidad de
los suelos. Los valores van desde 1.0 a 5.0 Kg/cm2. Según el valor
de la sensibilidad, se determina un comportamiento que va desde insensible,
moderadamente sensible y muy sensible como se observa en la tabla 5.
7.
Discusión
Basado en
los valores obtenidos, se determinaron el índice de liquidez y la sensibilidad
de los suelos cohesivos para las muestras analizadas. Se realizó la correlación
utilizando la curva propuesta [4] y se calculó el esfuerzo de preconsolidación.
Estos resultados se presentan en la siguiente tabla para cada muestra.
Tabla 6
Valores de resultado del esfuerzo de preconsolidación
Se puede observar que los esfuerzos de preconsolidación hallados para las muestras ensayadas varían desde 0.59 Ton/pie2 a 2.7 Ton/pie2, que equivalen a 0.635 Kg/cm2 a 2.91 Kg/cm2. Con estos valores se puede determinar de manera general si los estratos de suelos arcillas se encuentran en estado normalmente consolidado o preconsolidado.
De los ensayos recopilados de consolidación unidimensional en el laboratorio, se pudo verificar que los suelos finos de Pucallpa presentan un esfuerzo de preconsolidación entre 0.65 Kg/cm2 a 1.25 Kg/cm2. Estos resultados son de otros sectores que no corresponden al mismo lugar de las muestras ensayadas en la presente investigación. En la figura 5, se presentan las gráficas correspondientes a cada muestra estudiada, mostrando el cálculo del esfuerzo de preconsolidación utilizando las curvas propuestas en [4].
Figura 5
Resultado del esfuerzo de
preconsolidación mediante la correlación del índice de liquidez con la
sensibilidad de las arcillas
Los
valores del índice de liquidez revelan que la consistencia de estos suelos
cohesivos se encuentra entre muy firme y firme. Su comportamiento sugiere que
penetrar en este suelo requiere un esfuerzo considerable o se encuentra con
dificultad.
Los
resultados del cálculo de la sensibilidad muestran un rango de valores entre 1 a
5, lo que indica una característica que va desde insensible, hasta
moderadamente sensible. Este hallazgo sugiere que el suelo cohesivo tiende a
conservar su integridad y no se desmorona fácilmente durante la manipulación.
De los
estudios realizados por el Dr. Jorge Alva Hurtado, para diversos proyectos en
la ciudad de Pucallpa, se observa que con el ensayo de consolidación se llegó a
tener valores del esfuerzo de preconsolidación que van desde 0.65 Kg/cm2
a 1.2 Kg/cm2.
De los
resultados obtenidos del esfuerzo de preconsolidación (s´p)
para la presente investigación de las distintas muestras de la ciudad de
Pucallpa en los distritos de Calleria, Manatay y Yarinacocha, por los cálculos de las curvas
estudiadas a partir del Índice de liquidez (I.L) y la Sensibilidad (St) se tienen valores de (s´p) que van desde 0.64 Kg/cm2
a 2.91 Kg/cm2.
Los
resultados obtenidos al determinar el esfuerzo de preconsolidación mediante
ambos métodos son consistentes y se encuentran dentro de un rango admisible.
Esto se sustenta en la variabilidad de las muestras obtenidas de diferentes
zonas de la ciudad de Pucallpa y en las condiciones ambientales presentes en el
momento del estudio. Factores como la humedad influyen significativamente en
los ensayos, especialmente en la determinación del valor de la sensibilidad, ya
que la resistencia de los suelos finos depende en gran medida de su contenido
de humedad.
referencias bibliográficas
[1] J. Alva Hurtado, Estudios geotécnicos en la
ciudad de Pucallpa, [Diapositiva en Power Point], 1998. Disponible: https://www.jorgealvahurtado.com/files/Estudios-GeotecnicosPucallpa.pdf
[2] Crespo Villalaz, C. (2004). Mecánica de suelos y
cimentaciones. Limusa Noriega
[3] B. M. Das (2013). Fundamentos
de ingeniería de cimentaciones. México DF, México: Cengage Learning.
[4] B. M. Das (2001). Principios de ingeniería de cimentaciones. International Thomson Learning.
Trayectoria
académica
Marco Antonio Hernández Aguilar
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú
Magíster en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería
Geotécnica por la Universidad Católica de Río de Janeiro - Brasil (1993-1995).
Ingeniero Civil CIP 064415, graduado en la Universidad Ricardo Palma (1985-1990).
Gerente general de Geo Máster Ingenieros Consultores S.A.C. Consultor geotécnico
de obras de diseños de presas de relave, estabilización de taludes, colocación
y monitoreo de instrumentación geotécnica de campo, estudio y evaluación de
capacidad portante, evaluación geotécnica del subsuelo mediante perforaciones
diamantinas, estudios geotécnicos para plantas de tratamientos de aguas
residuales, agua de mina y depósitos de relaves, evaluación y diseños de
pavimentos, trabajos geotécnicos para estudios hidrogeológicos, para tanques de
combustibles. Ejerció la actividad docente en la Universidad San Ignacio de
Loyola y Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas. Actualmente es docente universitario
de los cursos de Mecánica de Suelos I y II en el pregrado de la Universidad
Ricardo Palma.
Autora corresponsal: marco.hernandez@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-1534-428X
Miriam Rosanna Escalaya Advíncula
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú
Doctora en Ingeniería Civil en el Área de Especialización de Geotecnia de
la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro - Brasil, Maestra en
Ciencias con Mención en Ingeniería Geotécnica de la Universidad Nacional de
Ingeniería, Ingeniera Civil de la Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica.
Actualmente se desempeña como especialista geotécnica en la empresa Jorge E.
Alva Hurtado Ingenieros S.A.C. con gran experiencia en el área. Ejerce la
actividad docente en el pregrado de la Facultad de Ingeniería Civil de la
Universidad Ricardo Palma.
miriam.escalaya@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0002-0620-8633
Ronald Saúl Vega López
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú
Egresado de la Escuela Profesional de Ingeniería Civil de la Facultad de
Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma. Actualmente, se desempeña como
ingeniero junior en el área de estudios especializados en geotecnia y mecánica
de suelos en la empresa Geo Máster Ingenieros Consultores S.A.C. en la que acumula
tres años de experiencia en el campo.
ronald.vega@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0009-0005-3498-5586
Contribución de autoría
Marco Antonio Hernández Aguilar
Coordinación trabajos de campo y ensayos de laboratorio, análisis y
discusión de resultados, redacción de artículo.
Miriam Rosanna Escalaya Advincula
Coordinación y acompañamiento en los trabajos de campo, discusión en los
ensayos de laboratorio e interpretación de resultados.
Ronald Saúl Vega López
Coordinación de trabajos de campo,
participación en los ensayos de campo y de laboratorio, procesamiento de
información e registros de ensayos por muestras
evaluadas.
Conflicto de intereses
Los autores declaran que no existe conflicto de intereses en el
desarrollo de la presente investigación.
Responsabilidad ética y legal
El desarrollo de la investigación se realizó bajo la conformidad de los
principios éticos del conocimiento, respetando la originalidad de la
información y su autenticidad.
Declaración
sobre el uso de LLM (Large Language Model)
Este artículo no ha
utilizado para su redacción textos provenientes de LLM (ChatGPT u otros)
Financiamiento
La presente investigación ha sido realizada con el financiamiento del Vicerrectorado
de investigación de la Universidad Ricardo Palma.
Agradecimientos
Los autores expresan su agradecimiento al Vicerrectorado de investigación
de la Universidad Ricardo Palma por el apoyo económico a esta investigación.