¿Por qué se utiliza todavía un diseño basado en la mecánica del suelo saturado?

Redactado por: Dr. Mayu Tincopa, profesor del Departamento de Ing. Civil, UTEC

Durante las últimas décadas, la mecánica de suelos parcialmente saturado (USM) ha sido ampliamente estudiada por muchos grupos de investigación en el mundo, lo que ha permitido a los ingenieros geotécnicos comprender mejor el comportamiento del suelo en condiciones parcialmente saturadas. Sin embargo, es más probable que los ingenieros geotécnicos diseñen basándose en un enfoque de mecánica de suelos saturados (SSM). La diferencia entre el enfoque SSM (saturado) y USM (parcialmente saturado) se basa en la solución no lineal. Mientras que SSM usa una variable constante para la conductividad hidráulica (Ks), la resistencia al corte (Φ & c) y el cambio volumétrico (e), USM requiere una función no lineal de estas variables. El enfoque SSM significa no analizar las condiciones de lluvia (flujo parcialmente saturado), no analizar el efecto de succión (aumento de la resistencia) y no analizar el cambio de volumen (colapso o suelo expansivo). Este artículo tiene como objetivo alentar a los ingenieros geotécnicos a considerar el conocimiento actual de la USM para la evaluación y el diseño geotécnicos. Los siguientes párrafos discuten brevemente por qué no hemos considerado el enfoque USM y por qué deberíamos aplicar el enfoque USM en diseños geotécnicos, concretamente, en un terraplén y un talud de corte temporal.

¿Por qué no hemos considerado el enfoque de USM?

El motivo principal de la impopularidad de la USM puede ser explicada por la falta de enseñanza a los estudiantes de pregrado. Pocas universidades en el mundo han incorporado este conocimiento en el curso de mecánica del suelo, aun cuando el profesor Fredlund señaló la necesidad y la simplicidad de la enseñanza de USM en la carrera de ingeniería civil [1] y [2]. Quizás este motivo puede ayudarnos a comprender por qué los ingenieros geotécnicos no diseñan en condiciones parcialmente saturadas.

Desde un punto de vista académico, el marco teórico y los ensayos de laboratorio de USM se han desarrollado y mejorado en los últimos años. Sin embargo, como ingenieros consultores, a menudo tendemos a minimizar el enfoque de USM debido a los elevados costos y el tiempo que se consume en la obtención de ensayos de laboratorio. Además, solo unos pocos laboratorios que proporcionan ensayos parcialmente saturados se pueden encontrar en el mundo. Por ejemplo, si nos gustaría solicitar un ensayo, como la curva característica de agua-suelo (SWCC, consulte la Figura 1a), podríamos adquirir este ensayo en USA, Canadá y España. Sin embargo, no es factible para pequeños proyectos geotécnicos. Este hecho hace que los ingenieros desestimen este ensayo y, por lo tanto, los ingenieros no están interesados en analizar las condiciones parcialmente saturadas.

Otro problema es la limitada disponibilidad de instrumentación para la medición de succión en el campo. Este problema conduce a un pobre monitoreo de la succión en el campo. Como resultado, la incertidumbre de la succión del suelo no permite que los ingenieros geotécnicos tengan la suficiente confiabilidad para implementar un enfoque de USM. Los dos instrumentos ampliamente utilizados son un tensiómetro y un time-domain reflectometer (TDR). Por un lado, el tensiómetro puede medir la succión, pero este equipo tiene limitación en el rango de succión (entre 0 y 80 kPa). Por el otro lado, el TDR puede medir el contenido de humedad, pero, la humedad debe estar relacionada con la succión utilizando la SWCC. Este motivo hace que los ingenieros duden al considerar el diseño parcialmente saturado.

Además de la falta de conocimiento, pocos laboratorios y la poca instrumentación, un procedimiento detallado de diseño no está disponible en la literatura, aunque se puede encontrar un enfoque práctico para el diseño preliminar en la conferencia dada por Fredlund [3]. Fredlund sugiere un enfoque práctico basado en una estimación del SWCC, que depende de la curva de distribución del tamaño de grano [4] y [5]. Además, la SWCC puede estimar otras propiedades parcialmente saturadas, como la conductividad hidráulica parcialmente saturada y las resistencias al corte (Figura 1b). Estos motivos, mencionados previamente, ayudan a apoyar a los ingenieros geotécnicos a tener sesgos para  diseñar mediante el enfoque SSM en lugar del enfoque de USM.

Figure 1 – Relationship of SWCC to shear strength envelope for various soil types: (a) various zones along SWCC; (b) variation in shear strength envelopes for different soils in different zones of saturation. (From Ref [11])

¿Por qué deberíamos aplicar el enfoque de USM?

Con respecto a la aplicación del enfoque de USM para el diseño y evaluación geotécnica, hay tres razones clave para considerar el enfoque de USM. La primera razón que viene a mi mente es la disponibilidad de software de ingeniería que hoy en día es capaz de realizar análisis no lineales altamente complejos. Algunos programas comerciales de ingeniería, como Geo-Slope, Plaxis y Slide nos permiten realizar análisis inmediatos y confiables en condiciones parcialmente saturadas. Por ejemplo, un talud de corte en la arcilla para un propósito temporal podría diseñarse bajo el enfoque de USM. Sus propiedades y dimensiones se muestran en la Figura 2. Como resultado de este ejemplo, el factor de seguridad (FS) bajo condición saturada (sin succión) es igual a 1.12, mientras que FS en condiciones parcialmente saturadas es igual a 2.74. Se puede ver que a medida que aumentó el efecto de succión, el FS aumentó (Figura 2). Debemos ser conscientes de que la succión del suelo en el talud puede cambiar con el tiempo debido a las condiciones climáticas (precipitaciones, humedad relativa, temperatura) y el mejor escenario se muestra en la Figura 2. Por lo tanto, no hay limitación de ejecutar un análisis en condiciones parcialmente saturadas.

Una segunda razón para aplicar el enfoque de USM son los terraplenes los cuales son compactados en condiciones parcialmente saturadas. La literatura muestra muchos estudios de caso históricos [6]. Estos casos se centran en los suelos colapsables [7], el flujo parcialmente saturado [8] y aumentando en las resistencia [9]. Aunque la mayoría de los casos solo se investigaron como estudios académicos, se reporta un enfoque sofisticado en estos documentos. Un ejemplo clásico de un suelo potencialmente colapsable es un terraplén compactado. Este suelo compactado podría desencadenar colapso bajo dos condiciones: 1) La compactación del suelo se llevó a cabo en el lado seco (Figura 3b) y 2) El suelo compactado muestra una estructura micro y macro (Figura 3a y 3b). Este fenómeno ocurre debido a la macro-porosidad (Figura 3b) que puede llevar a inducir asentamientos. Este asentamiento surge cuando la succión disminuye repentinamente como resultado de humedecer el suelo. Otro caso son las pilas de lixiviación (estructuras apiladas para la extracción de minerales) las cuales pueden desencadenar este problema debido a la irrigación en la parte superior del apilamiento, que puede activar la reducción en la succión del suelo [10]. Estos hechos ayudan a los ingenieros a evaluar los problemas geotécnicos de un punto de vista parcialmente saturado.

Por último, pero no menos importante, se puede ver que el diseño bajo el enfoque USM podría ayudar a un análisis más minucioso en los problemas geotécnicos, como el suelo colapsable, el flujo parcialmente saturado y la resistencia de corte. Por ejemplo, un diseñador debe estar al tanto de los detalles, como el sistema de drenaje bien desarrollado en el flujo parcialmente saturado. Un diseñador debe tener en cuenta el potencial problema de suelos colapsables debido a la compactación en el lado de secado o debido a la reducción de la succión. También un diseñador debe tener cuidado con el efecto de succión en la resistencia al corte. Estos hechos se pueden observar en los taludes de corte temporal y los terraplenes. Me gustaría enfatizar el enfoque de USM porque muchos ingenieros piensan que el diseño conservador significa el uso del enfoque de SSM y, por lo tanto, mi diseño es "a prueba de todo", sin embargo, esta mentalidad puede provocar un análisis deficiente de la condición real. Propongo que los ingenieros geotécnicos deban incluir un análisis parcialmente saturado en su análisis. Además, cuanto mayor cantidad de análisis realizamos con data de calidad, menor el riesgo que tendremos en nuestro diseño.

Conclusión

Para resumir, la práctica de la industria necesita implementar un enfoque de USM para cerrar la brecha en el sector académico, sugiero que esta brecha se pueda reducir a través de 1) la implementación de la teoría de la USM en las unidades de pregrado, 2) la disponibilidad de la literatura en USM y 3) la implementación de análisis parcialmente saturado en programas comerciales.

La comprensión de la USM debe enseñarse en la universidad a los ingenieros civiles y/o geotécnicos debido a su relevancia en la mayoría de los proyectos geotécnicos.

Mientras que algunos ingenieros geotécnicos argumentan que el enfoque de SSM puede llevar a un diseño conservador que puede ayudar a reducir el riesgo de falla, creo que cuando analizamos mediante un enfoque parcialmente saturado, buscamos considerar más detalles, por lo tanto, un diseño mejor y más completo.

A pesar de las dificultades para obtener un SWCC real, una estimación de la SWCC basada en la curva de distribución de tamaño de grano puede ser llevada a cabo de manera económica y rápida para analizar las condiciones parcialmente saturadas.

Aunque el enfoque de USM no se está utilizando actualmente a su máximo potencial en la práctica de la industria, ofrece un camino prometedor para mejorar el diseño por las razones anteriores. Así que bien podrían los ingenieros geotécnicos considerar el uso de este enfoque en sus futuros proyectos.

Referencias:

[1] Fredlund D.G. (2002). Teaching unsaturated soil mechanics as part of the undergraduate civil engineering curriculum. Pan American Conference on Geotechnical Engineering Education. Quito, Ecuador.

[2] Fredlund, D. G. (2000). The 1999 RM Hardy Lecture: The implementation of unsaturated soil mechanics into geotechnical engineering. Canadian Geotechnical Journal, 37(5), 963-986.

[3] SoilVision Systems Ltd. (2017, July 11). Lovell lecture by Professor Fredlund. Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=Fw88Z84OezA&t=3666s

[4]Fredlund, M. D., Fredlund, D. G., & Wilson, G. W. (1997, April). Prediction of the soil-water characteristic curve from grain-size distribution and volume-mass properties. In Proc., 3rd Brazilian Symp. on Unsaturated Soils (Vol. 1, pp. 13-23). Rio de Janeiro.

[5] Fredlund, D. G., & Houston, S. L. (2009). Protocol for the assessment of unsaturated soil properties in geotechnical engineering practice. Canadian Geotechnical Journal, 46(6), 694-707.

[6] Gens, A. (2010). Soil–environment interactions in geotechnical engineering. Géotechnique, 60(1), 3-74.

[7] Alonso, E. E., & Olivella, S. (2006). Unsaturated soil mechanics applied to geotechnical problems. In Unsaturated Soils 2006 (pp. 1-35).

[8] Sheng, D., Zhang, S., & Yu, Z. (2013). Unanswered questions in unsaturated soil mechanics. Science China Technological Sciences, 56(5), 1257-1272.

[9] Williams, D. J. (2012). Some mining applications of unsaturated soil mechanics. Geotech Eng J SEAGS AGSSEA, 43, 83-98.

[10] Tincopa H, M.A. (2013). Relevance of hydro-mechanical-chemical processes involved in the construction and operation of copper heap leach pads. MSc. Thesis. Universitat politécnica de Cataluna.

[11] Fredlund, D. G., Rahardjo, H., & Fredlund, M. D. (2012). Unsaturated soil mechanics in engineering practice. John Wiley & Sons.