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Suelos Residuales

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Categoría: Ciencia

Enviado por: poland6525 02 mayo 2011

Palabras: 10275 | Páginas: 42

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ca, Australia, Oceanía y el sur de Asia (Figura 6.1). La mayor parte de las teorías y desarrollos en la geotécnia han tenido su origen en trabajos realizados sobre suelos en climas no tropicales, generalmente, en depósitos de suelos sedimentarios especialmente, arenas y arcillas y por lo tanto están condicionados al comportamiento de ese tipo de suelos. La aplicabilidad de las teorías y los criterios de diseño geotécnico que existen actualmente, podría no ser completamente válida en el caso de suelos residuales, debido a diferencias importantes que existen en la constitución y estructura de los suelos y de las formaciones residuales, y las de los suelos que sirvieron de modelo para el desarrollo de la mecánica de suelos tradicional. Esta diferencia es debida principalmente, al fenómeno de la meteorización que es extenso y profundo en la mayoría de las formaciones de suelos tropicales.

Figura 6.2 Esquema general de una ladera en un suelo residual de granito.

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Debido a la alta concentración de hierro, los suelos resultantes son de tendencia a coloración roja en el proceso más completo de meteorización y por esta razón algunos Autores los denominan como “suelos rojos tropicales”. Los suelos residuales son el producto de la meteorización en el sitio de las formaciones rocosas. También en algunas formaciones de suelos aluviales, estos han sido meteorizados en tal forma que pueden asimilarse en su comportamiento a los suelos residuales. Adicionalmente, a los suelos residuales comúnmente se les encuentra acompañados por coluviones y un gran porcentaje de los movimientos de las laderas de suelos residuales están relacionados con la inestabilidad de los coluviones (Figura 6.2). El resultado es un perfil compuesto por materiales muy heterogéneos que van desde la roca sana pasando por rocas meteorizadas o “Saprolitos”, hasta el "suelo" o material completamente meteorizado (Brand y Phillipson -1985) y a coluviones. Como características de los suelos residuales pueden mencionarse las siguientes (Brand, 1985): 1. No pueden considerarse aislados del perfil de meteorización, del cual son solamente una parte componente. Para definir su comportamiento y la posibilidad de ocurrencia de deslizamientos, pueden ser más importantes las características del perfil que las propiedades del material en sí (Figura 6.3). 2. Son generalmente muy heterogéneos y difíciles de muestrear y ensayar. 3. Comúnmente, se encuentran en estado húmedo no saturado, lo cual representa una dificultad para evaluar su resistencia al corte. 4. Generalmente, poseen zonas de alta permeabilidad, lo que los hace muy susceptibles a cambios rápidos de humedad y saturación.

6.2 METODOLOGIA PARA LA CARACTERIZACION INTEGRAL DE LOS SUELOS RESIDUALES

La caracterización de un suelo residual debido a su heterogeneidad, requiere de un análisis integral que tenga en cuenta todos los factores que afectan su comportamiento, lo cual incluye el grado y proceso de meteorización, su mineralogía, microestructura, discontinuidades, estado de esfuerzos, propiedades mecánicas, clasificación y caracterización del perfil. En la tabla 6.1 se muestra un resumen de los elementos, características y procedimientos de análisis para una caracterización integral y en el texto del presente capítulo se analizan los diferentes elementos. Del detalle con que se realice la caracterización del suelo residual depende la exactitud del diagnóstico. En ocasiones el ingeniero o geólogo no observa el que puede ser el detalle clave para determinar la estabilidad de un talud. Debe dedicarse esfuerzo especial a la determinación de la microestructura y estructura para de esta manera identificar las superficiales preferenciales de falla.

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Tabla 6.1 Metodología para la Caracterización integral de un suelo residual

Elemento Medio Ambiente externo

Factores a caracterizar Topografía, régimen de lluvias, humedad ambiental, temperatura vegetación, sísmica, factores antrópicos. Tipo de roca, minerales presentes, Litología discontinuidades y microestructura de la roca original. Estado de Proceso de desintegración física y Meteorización descomposición química. Grado de meteorización. Minerales resultantes del proceso de Mineralogía meteorización, tipos y % de arcilla , sesquioxidos. Microestructura Textura, Arreglo de partículas, Ensamble, Fábrica, matríz, tamaño de granos, terrones, sistema de soporte. Cementación entre partículas, Alteración o remoldeo, Anisotropía. Discontinuidades heredadas, juntas, Estructura diaclasas, foliaciones, estratificación, fallas intrusiones. Separación, continuidad, relleno y propiedades de las discontinuidades. Resistencia al cortante, Cohesión y, Propiedades ángulo de fricción de la masa de Mecánicas suelo y de las discontinuidades, envolventes de falla, Relación de vacíos, Permeabilidad, Dispersividad, Factores que afectan estas propiedades. Régimen de Humedad, grado de saturación, succión, Posibilidad de aumento aguas rápido de humedad, avance del frente subterráneas húmedo. Régimen interno de agua permanente y ocasional. Definición de la unidad de suelo, Clasificación del suelo grupo y subgrupo, utilizando todos los elementos anteriores. residual Caracterización Definición de las características del perfil. Profundidad del perfil . del Perfil Superficie de falla, tipo de falla. Superficies preferenciales de falla

Procedimiento Mediciones topográficas, hidrológicas, caracterización de cobertura vegetal. Indice climático. Caracterización geológica de los afloramientos de roca sana, secciones delgadas, micropetrografía. Ensayo de arenosidad, Martillo de Schmidth, Indice micropetrográfico, ensayos de penetración. Análisis termogravimétrico, escaniado con electromicroscopio, Microscopio óptico, Difracción de rayos X. Análisis al microscopio y electromicroscopio.

Análisis visual de apiques, sondeos y afloramientos de suelo residual. Microscopio optico.

Ensayos de campo y de laboratorio. Resistencia al cortante, permeabilidad, Peso unitario, relación de vacíos, porosidad, Dispersividad.

Ensayos de humedad, succión, velocidad de avance del frente húmedo. Redes de movimiento de agua permanente y por acción de lluvias. Sistema FAO Sistema de Wesley Nombre especial del suelo. Clasificación por el Método de Hong Kong (grados I a VI). Análisis geotécnico incluyendo agua, sismo, etc.

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Figura 6.3 Tipos de deslizamiento en suelos residuales (Deere y Patton 1971).

6.3 EL PROCESO DE METEORIZACION

En ambientes tropicales, dominados por temperaturas altas y cambiantes y por lluvias abundantes, la meteorización de los materiales es muy fuerte, caracterizándose por la descomposición rápida de feldespatos y minerales ferromagnesianos, la concentración de óxidos de hierro y aluminio y la remoción de Sílice y de las bases Na2O - K2O- CaOy MgO (Gidigasu-1972). Los feldespatos se meteorizan inicialmente a Kaolinita, Oxidos de Hierro y Oxidos de Aluminio y los compuestos más resistentes como las partículas de Mica y Cuarzo permanecen. La meteorización de rocas y cenizas volcánicas conducen a la formación de Montmorillonitas, Aloysitas, óxidos de hierro y aluminio en las etapas iniciales de la meteorización y finalmente se pueden formar Caolinitas, Esmectitas y Gibsitas (González y Jiménez - 1981)(Tabla 6.2). Algunas rocas que contienen sales (NaCl ), Cal ( CaSO4 ) y Yeso (CaSO4 -2H2O) se disuelven fácilmente en agua, especialmente en presencia de CO2, acelerando el proceso de meteorización. A medida que el proceso de meteorización continúa los contenidos de Caolinita disminuyen y se alteran los demás compuestos a Fe2O3 y Al2O3. Existen investigaciones que demuestran la disminución de los contenidos de Caolinita, con el aumento del promedio anual de lluvias (Lohnes y Demirel, 1973).

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El proceso generalmente es: Material volcánico

Material de origen Roca cristalina

Montmorillonita

Aloisita

Caolinita.

Tabla 6.2 Tipos generales de minerales en los suelos residuales

Roca volcánica

Minerales resultantes Caolinita Oxido de hierro Oxido de aluminio. Montmorillonita Aloisita Esmectita Oxido de hierro Oxido de aluminio

Etapas del proceso de meteorización

En general un proceso de meteorización involucra tres etapas así:

a. Desintegración

Se abren las discontinuidades y se desintegra la roca, formándose nuevas discontinuidades por fracturación y las partículas se parten, aumentando la relación de vacíos y la permeabilidad y disminuyendo la cohesión. En la meteorización la sal es generalmente un silicato y el producto de la reacción es una arcilla.

b. Descomposición

Se incrementa el contenido de arcilla y de suelo en general y se disminuye la fricción. La descomposición puede ser ocasionada por procesos químicos o biológicos. Los procesos químicos incluyen la hidrólisis y el intercambio cationico. Los procesos biológicos pueden incluir efectos de las raíces, oxidación bacteriológica y reducción de hierro y compuestos del azufre. Hidrólisis El proceso químico más importante en la meteorización química es la hidrólisis. Esta ocurre cuando una sal se combina con agua para formar un ácido o una base. Intercambio catiónico Es la descomposición de un mineral de arcilla para formar otro a través de la transferencia de iones entre soluciones percolantes y el mineral original. Los cationes tales como el sodio y el calcio son fácilmente intercambiables. El intercambio de cationes no altera la estructura básica del mineral de arcilla pero modifica el espaciamiento entre capas, convirtiendo por ejemplo una illita en una motmorillonita.

c. Oxidación y recementación

Se aumenta el contenido de óxidos de hierro y aluminio, los cuales pueden cementar grupos de partículas aumentando la cohesión y el suelo tiende a estabilizarse. En la mayoría de los procesos de meteorización en las rocas ígneas predominan los procesos químicos, mientras en las rocas sedimentarias predominan los procesos físicos, sin embargo estos procesos se interrelacionan. La meteorización generalmente, avanza hacia abajo de la superficie y a través de las juntas y demás conductos de percolación, produciendo variaciones de intensidad, de meteorización y dejando bloques internos de material no descompuesto.

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Cuando la meteorización es incipiente los bloques son grandes y controlan en parte el comportamiento del talud, pero a medida que se hace más intensa el factor más importante es la resistencia del suelo meteorizado que actúa como matríz de los bloques independientes.

Minerales resultantes Caolinita

Los suelos con caolinita como mineral de arcilla presentan un comportamiento normal en los ensayos, en términos de baja a media plasticidad y permeabilidad. El efecto del aumento de humedad sobre las propiedades del suelo generalmente, no es importante.

Montmorillonita

Los materiales con contenidos apreciables de Montmorillonita poseen muy alta plasticidad y baja permeabilidad. El efecto del aumento de humedad puede resultar en una disminución importante de la resistencia al cortante. La Montmorillonita tiene un alto nivel de reacción con el cemento y la cal.

Aloisita

Al aumentar la humedad de una aloisita puede disminuir la resistencia al cortante en forma apreciable.

Sesquióxidos

Los sesquióxidos generalmente, cementan las partículas y su presencia equivale a una reducción en la plasticidad. Los óxidos de hierro y aluminio se acumulan como consecuencia de una cadena de procesos químicos y de lavado interno. La identificación del mineral de arcilla presente es muy importante para la valoración del comportamiento del suelo. Existen varios métodos para la identificación del mineral de arcilla: a. Análisis termogravimétrico Identifica los minerales con base en los cambios que ocurren al ocurrir deshidratación en un rango de temperaturas. Es generalmente, un método impreciso con excepción de algunos minerales que poseen un comportamiento termogravimétrico muy claro. b. Escaniado con Electromicroscopio Amplificación de un electro-microscopio, más de 3.000 veces. Revela detalles de la microestructura y puede deducirse la relativa abundancia de algunos minerales . Este método no permite conclusiones a menos que se utilice conjuntamente con otro sistema de identificación. c. Microscopio óptico Se deben incluir medidas de polarización. Es un técnica útil para identificar la abundancia relativa de ciertos minerales y definir la fábrica y textura. d. Espectro de difracción de Rayos X El método más utilizado es la difracción de rayos X, pero es apropiado solamente para minerales que poseen una cristalografía muy característica, y se requiere que la muestra analizada tenga un porcentaje alto del mineral para que se pueda identificar en el espectro su presencia. Se requieren técnicas especiales en suelos con cantidades significativas de hierro. En todos los casos es conveniente utilizar por lo menos dos formas de identificación que permitan comprobar los resultados.

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Efecto del clima

El clima ejerce una profunda influencia en la meteorización, especialmente la humedad relativa y la temperatura. Las reacciones químicas prácticamente se duplican cada aumento de 10ºC de temperatura. La influencia de la temperatura y la humedad en la descomposición de la roca en Surafrica ha sido relacionada por Weinert’s (1974) por medio de un índice climático: 12 EJ Pa Donde: EJ: evaporación en el mes de Enero, el mes más cálido. Pa = Lluvia anual. El valor de N = 5 indica la transición de las condiciones cálida subhumedas, en las cuales la meteorización química predomina y la condición caliente semiárida en las cuales predominan los fenómenos físicos. Donde N es menor de 5 se deben esperar grandes espesores de suelo residual. N = En las zonas tropicales y subtropicales donde la superficie de la tierra está cubierta por una vegetación densa que facilita la infiltración del agua, por aumento de los tiempos de retención del agua y a su vez son sujetas a lluvias fuertes, pueden aparecer profundidades de meteorización de varios cientos de metros. En climas secos o áridos la meteorización química es subsuperficial, lenta y predominan los fenómenos de meteorización de tipo mecánico, igualmente esto ocurre en zonas tropicales montañosas, con poca vegetación, donde las pendientes altas del terreno no facilitan la infiltración del agua lluvia.

Otros factores que afectan el proceso de meteorización

La frecuencia o espaciamiento de las discontinuidades afecta el proceso de meteorización y en los sitios en los cuales el espaciamiento de las discontinuidades es mayor, pueden aparecer masas de materiales no descompuestos como es el caso de los "Tors" o masas de granito sólido (Brand- 1982) (Figura 6.4). Las plantas y organismos vivos, tales como bacterias ayudan en el proceso de meteorización química. Otros elementos ambientales pueden incidir en la meteorización, pero sobre todo las condiciones de humedad y temperatura. La topografía es un factor muy importante. En zonas de alta montaña predominan los procesos de meteorización mecánica, especialmente por acción del alivio a descargue de geopresiones, los cambios de temperatura, los procesos de humedecimiento y secado y la cristalización de materiales. La meteorización depende de la topografía del terreno, siendo mayor en los sitios de menor pendiente y la profundidad de la meteorización aumenta hacia abajo del talud.

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Figura 6.4 Etapas en la formación de torres (Tors) de granito húmedas de meteorización en un medio tropical.

bajo condiciones

Medición del grado de Meteorización

El grado de meteorización puede medirse de varias formas:

Arenosidad

La forma más sencilla es utilizando un cuchillo o una puntilla y medir la facilidad con que se puede cortar o el indice de arenosidad (Tabla 6.3.).

Tabla 6.3 arenosidad. Medición del grado de descomposición de feldespatos mediante el ensayo de

Grado de Descomposición Fresco Moderado Alto Completo

Términos de arenosidad Duro Arenoso Deleznable Blando

Modo de reconocimiento No puede ser cortado por un cuchillo, ni gravado por una puntilla. Puede ser cortado por un cuchillo o gravado por una puntilla. Puede ser desmoronado a fragmentos de limo con las manos. Puede ser moldeado fácilmente con las manos.

Martillo de Schmidt

Una forma de evaluar en campo el grado de meteorización es utilizando el martillo de Schmidth. Este instrumento mide el rebote de un pistón metálico cargado con un resorte que se golpea contra la superficie de la roca. El rebote es un índice de la

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resistencia a la compresión y corte y puede utilizarse para determinar el grado de meteorización, previa elaboración de una carta de calibración similar a las presentadas por Irfan y Powel (1985) y por Cascini y otros ( 1991) las cuales se muestran en la figura 6.5.

Figura 6.5 Relaciones entre el grado de meteorización y el indice de rebote del martillo de Schmidth.

Ensayo de penetración

Los ensayos de penetración estándar o penetración de cono pueden relacionarse con la meteorización en materiales blandos y se puede diferenciar el suelo propiamente dicho de la roca meteorizada. Sin embargo se requiere una calibración del sistema para cada formación, basada en un número grande de datos.

Indice Micropetrográfico

Otra forma de medir el grado de descomposición es utilizando el índice micropetrográfico en el cual, se determinan los porcentajes de materiales inalterados y alterados utilizando una magnificación de 100 veces, con un mínimo de tres secciones delgadas analizadas, y un mínimo de 90 puntos contados en cada caso (Irfan y Dearman – 1978). IMP = % de materiales inalterados % de materiales alterados = % (quarzo + feldespatos inalterados. + biotita inalterada.) % (minerales alterados + vacíos + microgrietas) En la tabla 6.4 se muestra un trabajo realizado por Irfan (1988) en el cual se realizó un análisis micropetrográfico de un granito.

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Tabla 6.4 Resultados de un análisis modal micropetrográfico (Irfan – 1988)

Material Feldespatos inalterados % Feldespatos alterados % Cuarzo % Biotita inalterada % Biotita alterada % Otros % Vacíos y microgrietas % Minerales sanos % Minerales alterados % Total meteorización %

IMP

1 2 3 4 5 6 7 Granito sano

10.2 9.4 2.7 10.2 9.4 7.0 5.5 68.2

40.5 41.4 55.6 28.9 46.2 46.2 47.2 2.0

24.3 21.5 25.2 32.9 18.7 22.7 22.9 28.0

0.1 0.8 0.0 0.0 0.2 0.0 0.0 0.7

1.9 3.0 3.0 4.2 1.6 4.4 0.9 0.3

0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.1

22.9 23.7 13.5 23.6 24.0 19.5 23.6 0.6

34.7 31.7 27.9 43.1 28.3 29.7 28.4 97.0

42.4 44.4 58.6 33.1 47.8 50.6 48.1 2.3

65.3 68.1 72.1 56.7 71.8 70.1 71.6 2.9

0.53 0.47 0.39 0.76 0.39 0.42 0.40 33.4

6.4 MICROESTRUCTURA DE LOS SUELOS RESIDUALES

Los términos microestructura, fábrica y textura se refieren al arreglo físico de los granos o partículas. Este arreglo junto con la mineralogía, el grado de meteorización y la estructura de discontinuidades determina el comportamiento ingenieril de la mayoría de los suelos residuales. La microestructura incluye la microfábrica, la composición y las fuerzas entre partículas. Las investigaciones de microestructura se realiza utilizando microscopios opticos o microscopios electrónicos. La cementación de grupos de partículas es responsable de altas relaciones de vacíos, bajas densidades, altas resistencias, baja compresibilidad y alta permeabilidad. Generalmente la microestructura se analiza en dos niveles: Textura y Fábrica

Figura 6.6 Elementos de la textura en un suelo residual (Blight, 1997).

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Textura

La textura puede revelar la orientación entre las partículas cementación y contacto entre ellas. La influencia de la textura en las propiedades ingenieriles de los suelos tropicales fue enunciada por Terzaghi describiendo la arcilla en una presa, sobre la base de que ella ocurría en grupos densos de partículas de arcilla cementados por óxido de hierro. Esta afirmación ha sido ratificada por muchos autores a través de los años.

Arreglo elemental de partículas

Corresponde a la localización en el espacio de las partículas entre sí (Figura 6.6). Las partículas arcillosas pueden encontrarse en arreglos desordenados, paralelos o en racimos y las partículas granulares (Arenas y limos) en agrupaciones de partículas con los contactos limpios o cubiertos de otro material, generalmente de arcilla. La mayoría de los suelos tropicales son susceptibles a descomposición física por la manipulación de los “terrones o racimos ” que se forman. El rompimiento de estos racimos dificulta la determinación exacta de sus propiedades físicas y complica el proceso de compactación en el campo.

Ensamble

El ensamble de las partículas corresponde a la forma como interactúan las partículas unas con respecto a las otras. El ensamble presupone la existencia de una matríz, la cual puede ser arcillosa o granular y se forma por la agregación o la unión de las partículas. La disolución y lavado de la matríz o las uniones y la cementación conducen al desarrollo de una estructura porosa. Este efecto es producto de la frecuente ocurrencia de lluvias y por esto es necesario analizar el efecto de las lluvias sobre los poros y uniones entre las partículas. El ensamble puede ser modificado por el flujo de corrientes de agua.

Figura 6.7 Sistemas de fábrica en un suelo residual.

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Fábrica

La fábrica muestra la organización general de los grupos de partículas (Figura 6.7). El sistema de fábrica puede ser de tres formas:

1. Sistema continuo

En el cual la matríz y las partículas o elementos forman un todo homogéneo aunque existen uniones entre partículas estas no interrumpen la continuidad de la fábrica.

2. Sistema embebido por una matríz

El ensamble forma un elemento homogéneo pero es interrumpido por poros, granos grandes, relictos o nódulos de materiales diversos.

3. Sistema soportado por una red de bloques o terrones

En este caso aparecen varios elementos que se integran entre sí, separados por poros, pero es la microestructura del ensamble de estos elementos los que le dan soporte al material.

6.5 ESTRUCTURA DE LOS SUELOS RESIDUALES

Según Blight (1977) citando a Lumb, las juntas en la mayoría de las rocas ígneas y la estratificación en rocas sedimentarias permanecen en los suelos residuales. Igual cosa ocurre con la esquistocidad y la foliación de algunas rocas metamórficas.

1. Juntas o diaclasas

Las juntas juegan un papel importante en las fallas de materiales residuales. Si se encuentran abiertas actúan como conductores de agua y activadores de presiones de poro. Por lo general, se encuentran más abiertas en la superficie que a profundidad. El agua al pasar a través de la junta produce meteorización de sus paredes, formando arena o arcilla que forma superficies de debilidad. Adicionalmente, el agua que viaja a lo largo de las juntas puede llevar arcilla en suspensión que es depositada en ellas y las discontinuidades se hacen muy peligrosas si se encuentran rellenas de arcilla. Blight afirma que la resistencia a lo largo de una estructura heredada puede ser la mitad de la resistencia en el suelo residual intacto y cita casos en que la resistencia es de solamente 1/3 de la resistencia a través del suelo. Las superficies de falla pueden coincidir con una junta o puede comprender varias familias de juntas diferentes formando bloques deslizantes.

2. Foliaciones

Las foliaciones son superficies generalmente paralelas de baja cohesión y por las cuales las rocas se pueden partir. Estas son debidas principalmente, a efectos de metamorfismo y son conocidas como pizarrosidad, esquistosidad, foliación, etc. Este fenómeno produce direcciones de debilidad muy similares a diaclasas, pero son menos separadas y pueden inducir el desmoronamiento de los suelos al momento de moverse, produciéndose flujos secos del material desintegrado.

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Figura 6.8 Efecto de las discontinuidades en la falla de los taludes.

3. Estratificación

La estratificación genera superficies de debilidad por cambio de material. Cuando los materiales a lado y lado de la estratificación son de propiedades mecánicas similares, trabajan en forma similar a una diaclasa pero cuando la diferencia de propiedades es grande, como en el caso de estratificación de areniscas y Lutitas, la situación se hace más compleja, produciéndose concentración de agua en la interfase y flujo dentro del material más permeable. Este fenómeno genera una zona de meteorización a partir del plano de estratificación que debilita esta superficie.

4. Fallas

Su influencia en los problemas de taludes en materiales residuales pueden definirse así: Producen una zona de debilidad varios metros a lado y lado y en el caso de fallas de gran magnitud, de varios centenares de metros en dirección normal a éstas. En algunos casos las fallas son verdaderas familias de fallas que parecen especies de diaclasamiento. El material fracturado a lado y lado de la falla puede producir zonas inestables dentro de la formación estable. Los planos de falla a su vez pueden estar rellenos de arcilla o completamente meteorizados, formando superficies débiles muy peligrosas. Es común que un deslizamiento esté directamente relacionado con la presencia de una falla geológica.

5. Intrusiones

A veces los deslizamientos son generados por la presencia de intrusiones de materiales más permeables que traen su efecto en el régimen de aguas. Las diferencias en el grado de cristalización y el tamaño de los cristales también afectan la estabilidad de los taludes en rocas ígneas y metamórficas.

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6.7 SUELOS RESIDUALES ESPECIALES Las Lateritas

Los suelos arcillosos ricos en aluminio y hierro son muy frecuentes y se caracterizan por la presencia de óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio; el hierro en pequeñas cantidades que es movilizado por el agua subterránea es luego oxidado. El movimiento cíclico de los niveles de agua conduce a la acumulación de óxidos de hierro, formando una capa de suelos cementados, generalmente semipermeables (Figura 6.14). Estos materiales se van endureciendo en presencia del aire formando suelos lateríticos, los cuales poseen una gradación que puede ir desde las gravas a las arcillas y una plasticidad de baja a intermedia.

Figura 6.14 Formación de lateritas por corrientes de agua ocasionales. Las lateritas se forman por descomposición de la roca y lavado por corrientes de agua ocasionales.

Tabla 6.6 Propiedades típicas de los suelos tropicales lateríticos Propiedad Valor Contenido de agua 10 a 49 % Límite líquido 33 a 90 % Límite plástico 13 a 31 % Porcentaje de arcilla 15 a 45 % Peso unitario seco 1.6 a 2.0 gr./cm3. Angulo de fricción interna 28o a 39o

Es el proceso físico químico que convierte el suelo o roca en Laterita. Las Lateritas no son propiamente derivadas directamente de las rocas, sino que son el resultado de la

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remoción gradual de sílice y sales solubles. Este proceso ocurre cuando el agua percola a través del suelo o la roca. En algunas rocas existen factores que facilitan el proceso de laterización, ellas son:

1. Rocas ígneas ácidas y algunas metamórficas

Incluyen el Neiss y el Granito. Estas rocas contienen suficiente hierro y aluminio para la formación de Lateritas. Aunque la permeabilidad intergranular es baja, usualmente poseen un muy buen desarrollado sistema de juntas que facilita el lavado.

2. Basalto

Contiene suficiente aluminio y abundante hierro y posee fracturas abundantes similares a los de otras rocas cristalinas. Estas rocas permiten una desintegración rápida.

3. Arenisca

Los contenidos bajos de aluminio y hierro pueden no contribuir a la formación de lateritas de espesor grande, pero su alta permeabilidad puede contribuir al lavado de los Feldespatos. Algunas rocas no son favorables para el desarrollo de Lateritas y estas son: Las Calizas, que aunque son muy solubles no poseen una permeabilidad que permita la ocurrencia de Lateritas. Lo mismo ocurre con las Lutitas y pizarras. Los Esquistos son muy difíciles de categorizar por la gran cantidad de tipos que existen y aunque son comparables químicamente a las Lutitas, su habilidad para producir Lateritas depende principalmente de su textura y estructura. Las Lateritas tienen su importancia, especialmente en construcción de carreteras, por el uso de gravas lateríticas como material de bases y sub-bases viales. El Cuarzo como mineral no soluble es abundante y hace que sus resistencias al corte sean apreciables. Ante la presencia de una gran cantidad de suelos residuales tropicales de coloración rojiza, la identificación de Lateritas debe hacerse por la presencia de partículas del tamaño de grava y por su ocurrencia en sitios de poca vegetación donde la humedad no es permanente pero que están expuestos a la acción de la lluvia. La Grava laterítica es un suelo de consistencia gruesa, granular, que tiene partículas gruesas que se forman de la cementación de partículas más pequeñas. Al clasificarse podría ser grava o arena pero posee matríz de arcillas o limos.

Arcillas negras tropicales

Otro tipo de suelo muy común en ambientes tropicales son las arcillas negras, las cuales se desarrollan en áreas de drenaje pobre, con periodos secos y húmedos muy bien definidos. La arcilla presente más común es la Montmorillonita, lo cual conduce a que estos suelos sean generalmente expansivos, especialmente en los metros más subsuperficiales del perfil.

Suelos dispersivos residuales

Es frecuente en áreas tropicales la presencia de suelos arcillosos o arcillo-arenosos dispersivos, los cuales son muy susceptibles a ser erosionados por las corrientes de agua. Estos suelos son generalmente de coloración amarilla a roja. No existe realmente una velocidad crítica de erosión para los suelos dispersivos, los cuales son disueltos en aguas prácticamente quietas.

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Tabla 6.7 Propiedades típicas de las arcillas tropicales negras

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Propiedad Porcentaje de arcilla Porcentaje de limos Porcentaje de arenas Materia orgánica Límite líquido Indice plástico Indice de contracción

% Más del 50 20 a 40 10 a 30 Menos del 2 50a 100 25 a 70 10 a 12

Para completar la amplia y diversa gama de suelos tropicales están los suelos Calcáreos limosos, los cuales poseen coloración gris y los depósitos de carbonatos de Calcio conocidos como "Caliche”. En general el comportamiento de los suelos residuales tropicales es muy complejo y se requiere conocer en forma detallada las características fisico-estructurales y químicas para su correcta clasificación.

6.8 SUPERFICIES DESLIZAMIENTO

PREFERENCIALES

DE

FALLA

A

En las formaciones de suelos residuales generalmente, existen superficies preferenciales por las cuales el talud tiende a fallar. Se pueden indicar las siguientes:

1. Las discontinuidades heredadas

Las juntas, fracturas, foliaciones, planos de estratificación, laminaciones, diques, orientaciones de los minerales y demás discontinuidades de la roca original, se convierten en discontinuidades dentro de la masa de suelo residual, las cuales actúan generalmente como superficies de debilidad por su baja resistencia, relacionadas no solo por la fractura en sí, sino también con la meteorización preferencial a lo largo de estas, ya que actúan como conductos del agua y demás agentes meteorizantes que facilitan no solo el transporte y depósito de subproductos, sino la formación de redes de presión de agua y de disipación de succión a lo largo de los planos de discontinuidad. Los cambios en la presión de poros pueden producir modificaciones de los parámetros de resistencia al corte dentro de la discontinuidad. Las juntas heredadas controlan en la mayoría de los casos, el régimen del agua infiltrada después de una lluvia y se conoce en Colombia de deslizamientos, en los cuales la masa de suelo estaba en estado semiseco pero las discontinuidades se encontraban saturadas y afectadas por presiones internas de agua muy grandes. En la mayoría de los deslizamientos que ocurren en suelos residuales, la superficie de falla coincide en áreas importantes con grupos de discontinuidades heredadas, las cuales algunas veces están rellenas de materiales débiles, comúnmente arcillas, las cuales absorben agua, se expanden y se ablandan muy fácilmente y es común que su existencia y significancia solo se identifica después de que ha ocurrido una falla. La anterior afirmación es basada en el trabajo de Massey y Pang (1988) sobre las fallas de los taludes en Hong Kong y en la revisión de una gran cantidad de historias de casos.

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Observaciones del flujo de agua subterránea indican que el agua fluye a lo largo de rutas tales como las discontinuidades heredadas y conductos internos de erosión. Las discontinuidades debidas a procesos de metamorfismo de las rocas, conocidos como pizarrosidad, esquistocidad, foliación etc., forman superficies paralelas de baja cohesión, a través de las cuales los materiales se pueden partir fácilmente o producirse fenómenos de desmoronamiento y flujos secos de material desintegrado. Muchos tipos de relleno diferente se pueden encontrar a lo largo de las discontinuidades pero generalmente se trata de materiales arcillosos y su espesor puede variar desde capas microscópicas hasta centímetros. Este relleno puede provenir de materiales lavados de capas superiores o de meteorización en el sitio. La detección y evaluación de los efectos de las estructuras heredadas es de primordial importancia en los estudios geotécnicos para casos de estabilidad de taludes, pero esto es muy difícil con el sistema de perforaciones con taladro. Irfan y Woods(1988) recomiendan hacer excavaciones de gran tamaño y reportan zanjas de hasta 20 metros de profundidad para establecer el sistema de discontinuidades heredadas y estas excavaciones pueden programarse como parte de los cortes definitivos. Adicionalmente, se recomienda el mapeo de las discontinuidades a medida que se avanza con los cortes, para detectar la necesidad de modificar el diseño.

2. Zonas de cambio de permeabilidad

El proceso de meteorización o las características de formación de los materiales puede generar la presencia de superficies de alta permeabilidad dentro de un perfil de suelos residuales menos permeables. El agua al atravesar el perfil trata de fluir preferencialmente a través de las zonas de mayor permeabilidad, generándose una red diferencial de presiones de poro concentradas. El flujo de agua y las presiones preferenciales a lo largo de las zonas de alta permeabilidad puede convertirlas en superficies de falla. Adicionalmente, en algunos perfiles coinciden los cambios bruscos en conductividad con cambios en la resistencia al cortante de los materiales.

3. Espejos de falla (slickensides)

Los espejos de falla son discontinuidades lisas, las cuales pueden ser el producto de movimientos tectónicos en la roca original, los cuales se preservan en el suelo residual o pueden ser causados también por movimientos diferenciales, ocurridos dentro del Saprolito por acción del proceso de meteorización. Es difícil diferenciar entre superficies antiguas o recientes y en ocasiones se puede observar más de una dirección de estriado en la misma discontinuidad (Irfan y Woods- 1988). La resistencia al corte a lo largo de los espejos de falla es particularmente baja y muchos deslizamientos son controlados por estas superficies de falla.

4. Los contactos suelo - roca

Los fenómenos que ocurren en la interface suelo - roca están relacionados con la formación de niveles colgados de agua permanentes o temporales, los cuales generan no solo una presión hidrostática sino también un proceso de disolución y lavado de llenantes y cementantes por acción de corrientes de agua. La roca actúa como una

Capítulo 6

Suelos residuales

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barrera que facilita la formación de corrientes a lo largo del contacto material descompuesto - roca. Cuando el contacto Suelo Residual - Roca es relativamente uniforme y continuo puede actuar como superficie preferencial para la ocurrencia de movimientos. Un caso común en ambientes tropicales son los deslizamientos de coluviones de materiales arcillosos sobre superficies rocosas (Campos - 1991). Generalmente, los procesos de hidrología interna y descomposición permiten la acumulación de partículas de arcilla sobre el contacto suelo – roca, formando una capa delgada o patín de arcilla sobre el cual se produce el movimiento, esta capa puede ser de solo algunos milímetros.

5. Fallas, planos de estratificación e intrusiones

Es común encontrar en las formaciones residuales contactos o fallas que generan superficies de debilidad, abiertas o rellenas de sedimentos o intrusiones de materiales muy diferentes a los normales de la formación. La presencia de estos puede generar un cambio substancial en el régimen de aguas subterráneas y en el comportamiento del talud. El material a lado y lado de la falla o intrusión puede producir superficies de inestabilidad dentro de una formación considerada como estable. En ocasiones, la presencia de fracturas relacionadas con fenómenos tectónicos relativamente recientes afecta la posibilidad de ocurrencia de deslizamientos, pero su evaluación es difícil porque generalmente no ha transcurrido tiempo suficiente para producir cambios geotécnicos visibles y la localización e identificación de los fenómenos neotectónicos es compleja.

6. Los suelos subsuperficiales o poco profundos

Es muy común que se produzcan fallas de los mantos mas subsuperficiales de suelo relacionados con varios factores: a. La presencia de coluviones o suelos sueltos subsuperficiales. b. La mayor abertura de las discontinuidades poco profundas y la resultante baja resistencia al cortante. c. La meteorización y permeabilidad del manto de suelo más subsuperficial.

6.9 CLASIFICACION DE LA FAO PARA SUELOS TROPICALES

Se han editado mapas de suelos generalmente, para uso agrícola en donde se clasifican los suelos de acuerdo a criterios pedológicos. Se conocen la clasificación pedológica francesa, la clasificación Taxonómica de los Estados Unidos y la clasificación FAOUNESCO. Estas clasificaciones han sido estudiadas por autores como Morin and Todon y pueden ser útiles a los Ingenieros y geólogos y para ello existen correlaciones cuya interpretación para casos prácticos requiere de mucho criterio y experiencia. La FAO ha definido 25 unidades de suelo de las cuales las más importantes son:

1. Arenosols

Más gruesas que la arena y contenido de arcilla del 18% o menos. Exclusivos de depósitos aluviales recientes no consolidados.

Capítulo 6

Suelos residuales

215

6.11 CARACTERIZACION DEL PERFIL DE SUELOS RESIDUALES

El perfil de meteorización es muy importante en la estabilidad de los taludes en un suelo residual, porque este generalmente controla la superficie de falla potencial, el mecanismo de falla, el régimen de hidrología subterránea y la distribución de la presión de poros (Brand, 1985). Generalmente, los perfiles de los suelos residuales se componen de zonas de diferente meteorización que van desde el suelo propiamente dicho hasta la roca sana (Figura 6.15). Se han tratado de definir zonas homogéneas, pero en la práctica no existe zonificación real dentro de un perfil, sino un cambio gradual de las características de los materiales con la profundidad, incluso es muy difícil definir en forma precisa el límite de la roca sana con el suelo residual o la roca descompuesta (Saprolito).

Figura 6.15 Diagrama de un perfil típico de suelo residual tropical (Según Little-1969). Como los suelos residuales se descomponen de la roca parental, el perfil de suelo representa una historia del proceso de meteorización. Los sistemas de clasificación de perfiles presentan diferentes estados de meteorización y separan los perfiles verticales en diferentes zonas. La permeabilidad y la resistencia al cortante varían gradualmente con la profundidad, las cuales controlan la respuesta a la infiltración de la lluvia y la localización de las superficies de falla. Los espesores del perfil de suelo y las propiedades dependen de la roca parental, discontinuidades, topografía y clima. Como estos factores varían horizontalmente, el perfil puede variar en distancias relativamente cortas. Además se forman perfiles muy profundos en regiones tropicales en donde los agentes meteorizadores son especialmente fuertes. El perfil general descrito por Deere y Patton en 1971, distingue tres zonas: suelo residual, roca alterada y roca sana.

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

Los Saprolitos retienen las estructuras de la roca parental pero solamente un poco de la resistencia de este. Sowers (1963) y Vaughan (1985) correlacionan las propiedades de los suelos residuales con la relación de vacíos más no con los límites de Atterberg, debido a que la relación de vacíos representa en mejor forma el estado de los suelos en el sitio. Las discontinuidades afectan en forma significativa la permeabilidad y la resistencia al cortante de la masa de suelo, por esta razón en los ensayos de laboratorio de muestras relativamente, pequeñas se obtienen coeficientes de permeabilidad y resistencias al cortante muy diferentes a la realidad. Además, algunos suelos residuales derivados de los Neisses, con alto contenido de mica, se expanden en el muestreo y esto produce propiedades equivocadas en los ensayos (Bressani y Vaughan, 1989). A medida que se avanza en el perfil las propiedades de los suelos van cambiando en forma rápida y esto dificulta no solamente los ensayos sino los análisis, debido a que la estructura del material se vuelve muy importante a medida que se va profundizando, pasando de un comportamiento de suelo a un comportamiento de roca.

Tabla. 6.10 Sistema de clasificación del perfil de meteorización empleado en Hong Kong (Oficina de control geotécnico, 1979)

Grado VI

Descomposición Suelo

V IV III

Completamente descompuesta Muy descompuesta Moderadamente descompuesta

II I

Algo descompuesta Roca sana

Detalles de diagnóstico en las muestras No aparece textura reconocible de roca. Las capas superficiales pueden contener materia orgánica y raíces. Roca completamente descompuesta pero aún aparece textura de roca ligeramente reconocible. Pedazos grandes que pueden ser destruidos con las manos. Pedazos grandes que no pueden ser descompuestos por las manos (muestras tomadas con broca a rotación). Aparece como roca sana pero tiene manchas muestras de descomposición.

Las clasificaciones más utilizadas para los grados de meteorización de un perfil de suelo residual son las desarrolladas en Hong Kong ( Phillipson and Brand - 1985), El Reino Unido (Dearman and Turk -1985 ) y los Estados Unidos (Sowers - 1985). La variabilidad de las propiedades de resistencia, humedad y permeabilidad, a través del perfil dificulta la utilización de los modelos tradicionales de la mecánica de los suelos "homogéneos e isotrópicos". Otros elementos disturbantes son las discontinuidades y la presencia de bloques de materiales diferentemente meteorizados. Las características de un perfil de suelo residual dependen del tipo y propiedades de la roca originaria. Los perfiles son marcadamente diferentes para formaciones de origen igneo-metamórfico y para formaciones sedimentarias. Los perfiles de suelos residuales producto de rocas foliadas o estratificadas son marcadamente isotrópicos y generalmente son más débiles y permeables a lo largo de los planos de orientación (Sowers, 1985).

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Figura 6.16 Esquema de algunos perfiles típicos en materiales residuales.

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

6.12 PERFILES DE METEORIZACION Y DESLIZAMIENTOS DE LOS TALUDES EN ALGUNOS SUELOS RESIDUALES

La resistencia a la descomposición química varía de una roca a otra, siendo las Cuarcitas las más resistentes y dentro de las más conocidas por su descomposición rápida se encuentran las Calizas, las Lutitas y los Granitos. La meteorización produce la pérdida de las propiedades de cementación de la roca original y esta depende del tipo de roca:

Figura 6.17. Perfil de meteorización en materiales de origen Igneo-Metamórfico.

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Suelos residuales de Granitos, Dioritas, Neises y Esquistos

La alteración química afecta los Feldespatos y micas convirtiéndolos en arcilla, mientras el cuarzo permanece como arena. La descomposición ocurre a lo largo de las juntas formando bloques meteorizados esferoidalmente, dejando en el centro volúmenes de granito inalterado. En áreas de granitos el agua al pasar por las discontinuidades se vuelve ácida y ayuda a acelerar el proceso de descomposición, pudiéndose presentar casos de más de 50 metros de espesor de suelo residual (Blyth and Freitas - 1984). Fitzpatrick y Le Roux (1977) encontraron que el espesor de los perfiles de suelo residual es mayor en la parte baja de los taludes de granito meteorizado y mientras en la parte alta predomina la caolinita, en las áreas bajas más húmedas predomina la Smectita. En los Neises los Feldespatos y piroxenos tienden a meteorizarse rápidamente, los Anfiboles se meteorizan a una rata intermedia y el Cuarzo trata de permanecer. Los minerales son segregados en bandas y esta meteorización por bandeamiento afecta su manejo ingenieril. En suelos de origen igneo-metamórfico generalmente hay un solo perfil con suelo en la superficie, luego el saprolito y finalmente las rocas alterada y sana (Figura 6.17). Las rocas ígneas intrusivas ácidas (con gran contenido de Cuarzo) como el granito, forman perfiles profundos generalmente arenoarcillosos, mientras las rocas ígneas básicas (poco cuarzo) forman perfiles menos profundos y más arcillosos. García (1979) reporta perfiles de suelo en granitos meteorizados de diez metros de espesor con una capa superficial delgada de arcilla plástica (MH) sobre limos arenosos (ML) y sobre una arena limosa (SM) y López describe un perfil MH-ML-SM-GM en materiales de Anfibolitas. Los Neisses meteorizan generalmente a arenas de grano medio, micáceas, en perfiles menos profundos que los de un granito, pero de comportamiento muy similar dependiente de las diferencias de clima, topografía, etc. Los esquistos se comportan en forma similar y esto podría generalizarse para la mayoría de los materiales metamórficos e ígneos - intrusivos. Los esquistos son extremadamente físiles a lo largo de la esquistosidad y este factor es muy importante en la meteorización y aunque contienen a veces minerales resistentes a la descomposición, la cual puede ocurrir en forma relativamente fácil. La profundidad del perfil de meteorización depende no solo de las características de la roca y del medio ambiente sino también de la pendiente del terreno; en zonas de pendiente alta los perfiles son poco profundos y los materiales tienden a ser granulares, mientras en las zonas de pendiente suave los perfiles son más profundos y los materiales más arcillosos. Este fenómeno puede controlar el tipo de deslizamiento que se genera superficial en pendientes altas y profundo en pendientes medianas (Figura 6.18).

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Figura 6.18. Fallas en perfiles de granito meteorizado de diferente pendiente.

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Suelos residuales de lutitas y areniscas

Las lutitas constituyen cerca de la mitad del volumen de rocas sedimentarias sobre la corteza terrestre y han sido algunos de los materiales degradados más complicados de manejar en obras de ingeniería civil. Las lutitas al meteorizarse forman inicialmente capas de arcilla de apariencia laminar, las cuales en el proceso final de meteorización se convierten en mantos gruesos de arcilla blanda laminada. Las diferencias de permeabilidad debidas a la distribución granulométrica y a la estratificación puede generar niveles colgados de corrientes de agua, las cuales a su vez producen meteorización diferencial, de acuerdo a las condiciones de humedad y saturación de cada capa de suelo estratificado (Figura 6.19).

Figura 6.19 Niveles freáticos suspendidos en estratificación de Lutitas y Areniscas. En perfiles residuales de Lutitas aparece una capa superior blanda, completamente desintegrada, seguida de una zona de desintegración que disminuye con la profundidad (Bjerrum - 1967) y curiosamente el contenido de agua aumenta bruscamente en la zona de contacto de la Lutita inalterada con la zona medianamente alterada. Entre mayor es la meteorización la permeabilidad se hace menor. Se conocen casos de meteorización aislada de capas profundas asociadas con capas delgadas permeables. Las fallas generalmente, tienden a estar relacionadas con capas algo profundas por superficies de debilidad más o menos planas, intensamente meteorizadas con presiones altas de poros. En Colombia se conocen muchos deslizamientos de grandes áreas de terreno con superficies de falla profundas en materiales de Lutitas meteorizadas. En Lutitas o en alteraciones de areniscas y Lutitas existe un perfil general similar a los propuestos en los sistemas de clasificación pero a su vez cada capa, entre planos muy definidos de estratificación genera su propio perfil por meteorización diferencial (Figura 6.20). Los Planos de Estratificación y las Fallas o Fracturas importantes o las capas de materiales algo permebles generan superficies de cambio brusco en el perfil, los cuales

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

controlan generalmente las fallas. Condiciones similares se presentan cuando aparecen diques, bloques y cantos de grandes materiales geológicamente diferentes.

Figura 6.20 Perfil general de meteorización en materiales de origen sedimentario.

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Figura 6.21 Deslizamientos en intercalaciones de Arcillolitas y Areniscas con estratificación horizontal.

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

De las rocas sedimentarias, las Lutitas son las más susceptibles a deslizamientos. Las Lutitas están conformadas por capas de diferente composición y por lo tanto de diferentes propiedades, tales como capas de Bentonita, zonas de margas y planos de estratificación que pueden controlar las superficies de deslizamiento y las trayectorias de infiltración. Las intercalaciones de rocas permeables e impermeables pueden representar situaciones propicias para la ocurrencia de deslizamientos, como en el caso de mantos de areniscas y arcillolitas intercaladas. De acuerdo a la posición de los diversos mantos y el buzamiento de los estratos se puede presentar un mecanismo de falla.

Figura. 6.22 Deslizamientos en intercalaciones de Areniscas y Lutitas.

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Suelos residuales de Calizas

Las calizas presentan perfiles relativamente profundos de meteorización en presencia de humedades altas en pendientes suaves. En las Calizas o Rocas Carbonatadas la meteorización es controlada por el proceso de disolución en agua (Sowers - 1985); los materiales no solubles o que no han tenido suficiente contacto con el agua para disolverse se mantienen intactos mientras los solubles se descomponen totalmente. El resultado de este proceso de meteorización por disolución, es una mezcla heterogénea de materiales blandos y duros con cambios bruscos pero irregulares. El suelo residual es generalmente más duro en superficie y se hace más blando al profundizarse. A lo largo de juntas o planos importantes de estratificación se generan colchones de materiales blandos por disolución, los cuales actúan como superficies preferenciales de deslizamiento. Los deslizamientos generalmente están controlados por los planos de estratificación siendo las superficies de falla comúnmente tangentes a estos (Figura 6.23). Adicionalmente, se pueden presentar ductos internos o cavernas, los cuales generan corrientes concentradas de agua subterránea y es común encontrar deslizamientos en los sitios de afloramiento de estas corrientes.

Figura 6.23. Deslizamientos en suelos residuales de Calizas (Málaga-Colombia).

Suelos residuales de origen volcánico

Los perfiles de meteorización en suelos de origen volcánico son similares en su apariencia general a los de los suelos de origen ígneo intrusivo, pero en este caso las discontinuidades tienden a ser horizontales y verticales y los deslizamientos tienden a ser controlados por las características del perfil de meteorización, aunque las discontinuidades pueden afectar el mecanismo de movimiento. El tipo de falla que se presenta depende del espesor y la pendiente inferior del manto de meteorización intensa,

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

donde aparecen diques, bloques o cantos grandes de materiales geológicamente diferentes.

Figura 6.24 Perfil típico de Andesita (Bligth, 1997).

Andesita

La Andesita es una roca oscura de origen volcánico. Los minerales de la andesita se descomponen definiendo una secuencia de colores muy bien definida. Los minerales ferromagnesianos (Piroxenos) se alteran a clorita lo que le da un color verde a las zonas profundas del perfil de meteorización. La clorita se altera en la parte superior del perfil oxidándose, lo que le da un color amarillo o marrón formando ferricreto que equivalen a una acumulación gradual de óxidos e hidróxidos de hierro. Este ferricreto puede ser grueso impermeable y compacto.

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Figura 6.25. Fallas en materiales de origen volcánico.

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

El análisis debe realizarse en tres dimensiones y si es necesario se deben instrumentar para poder presentar una hipótesis geodinámica, incluyendo su comportamiento bajo eventos sísmicos. En ocasiones es necesario determinar los esfuerzos de compresión y cortante a que están siendo sometidos y los cambios que están ocurriendo en el momento actual; tales como cambios temperatura, reptación, rotación de bloques, etc. Al estudiar un grupo de discontinuidades en un macizo rocoso se deben analizar las diversas posibilidades (Figura 5.17), de ocurrencia de volteo y/o deslizamiento así: 1. Que la conformación geostática produzca bloques estables. Para que esto ocurra se requiere que la relación ancho/altura del bloque sea mayor que el valor de la tangente del ángulo con la horizontal de las discontinuidades y que el ángulo de la discontinuidad base con el horizontal, sea menor que el ángulo de fricción. 2. Que se presente solamente el riesgo de falla por volteo o inclinación. Se requiere para b / h < Tan ϕ el ángulo con la horizontal sea menor que φ. 3. Que se presente solamente el riesgo de deslizamiento. En este caso b / h > Tan φ y α > φ. 4. Que se presente el riesgo combinado de deslizamiento y volteo simultáneamente. En este caso b/h < Tan φ y α > φ.

5.8 COLUVIONES

Bates y Jackson (1980) definen un coluvión como una masa incoherente de materiales sueltos y heterogéneos, de suelo o fragmentos de roca depositados por lavado de la lluvia, reptación o deslizamiento, los cuales comúnmente se depositan en la base de las laderas. El coluvión típico es una mezcla de fragmentos angulares y materiales finos. Los coluviones, generalmente consistentes de mezclas heterogéneas de suelo y fragmentos de roca que van desde partículas de arcillas hasta rocas de varios metros de diámetros, se les encuentra a lo largo de las partes bajas de los valles o a mitad de talud, formando áreas de topografía ondulada, mucho más suave que la de las rocas que produjeron los materiales del coluvión. Es muy frecuente que los coluviones generen deslizamientos en las vías al ser cortados por ellas, o que el alineamiento de la vía pase sobre un coluvión en movimiento. La mayor parte de la superficie en zonas de suelos residuales está cubierta en una u otra forma por coluviones de diferente espesor. Su espesor puede variar desde unos pocos centímetros a más de 20 metros. Los coluviones se les encuentra muy relacionados con los suelos residuales, especialmente como abanicos coluviales en el pie de las laderas y en la literatura técnica se les agrupa dentro de los materiales residuales. El coluvión es un material derivado de la descomposición de las rocas, el cual ha sido transportado ladera abajo por la fuerza de gravedad. Puede variar en composición desde un conglomerado de bloques sin matríz, hasta una masa de material fino o con solo algunos bloques. En los coluviones generalmente, se generan corrientes de agua sobre la interface entre el coluvión y el material de base. Debe distinguirse entre coluviones secos y coluviones saturados, siendo por lo general, arcillosos los segundos y de comportamiento friccionante los primeros.

Capítulo 5

Composición y estructura geológica

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Un coluvión arcilloso saturado se encuentra generalmente, en equilibrio límite y cualquier excavación puede iniciar un movimiento. Se han reportado casos en los cuales aparece material menos arcilloso en el contacto coluvión - roca, pero experiencias en Colombia muestran perfiles con material más permeable (menos arcilloso), arriba del contacto con una capa delgada de arcilla depositada exactamente sobre la interface. Las superficies de falla pueden coincidir con el contacto coluvión suelo residual o pueden ocurrir fallas a través del coluvión (Figura 5.18). Los coluviones se comportan en forma similar al suelo residual y en ocasiones es difícil diferenciarlos, especialmente cuando solo se dispone de información de sondeos (Brand, 1985). Es común encontrar coluviones que abarcan áreas de varios kilómetros cuadrados y que presentan varios movimientos relativos diferentes dentro de la gran masa coluvial.

Figura. 5.18 Falla en Coluviones.

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

Talus

Dentro de los coluviones es importante definir el término de Talus: Bates y Jackson (1980) define Talus como los fragmentos de roca de cualquier tamaño o forma (usualmente gruesos y angulares) derivados de / y apoyados sobre la base de laderas de pendiente muy alta. Estos talus son conformados por bloques de roca depositados por gravedad, especialmente por caídos de roca. Después de caer, los fragmentos se acumulan a la base formando una especie de depósito angular en el pie de la ladera. Con frecuencia las montañas que producen los talus no son rectas sino que contienen una serie de entradas que tienden a concentrar las partículas de roca, formando una especie de tobogán o un depósito en forma de cono, con una base ancha y un ápice, localizado en el canal de origen de los materiales. Los fragmentos de talus pueden variar en tamaño para incluir bloques de hasta más de 10 metros de diámetro. Generalmente, los fragmentos grandes se localizan en el pie del talus y los pequeños en su ápice. El ángulo máximo que forma el talus se le llama ángulo de reposo. Generalmente, estos ángulos varían entre 34 y 37 grados pero en ocasiones pueden alcanzar valores superiores a 45 grados.

Inestabilidad de los coluviones

Los daños generados por coluviones en las áreas montañosas de los Andes son cuantiosos y la mayoría de los grandes deslizamientos en las vías en las áreas de montaña están relacionados con coluviones. Las fallas en los coluviones generalmente presentan dos etapas así: En la primera etapa se produce un deslizamiento rotacional o translacional, bien sea por la base del coluvión o formando una línea a través de este y en la segunda etapa se produce un flujo de la masa removida. Esto produce un escarpe en la corona del movimiento inicial y una longitud larga de flujo hasta la zona de nueva depositación del coluvión. En ocasiones estos movimientos bloquean los cauces de las quebradas o corrientes de agua. Los coluviones son muy susceptibles a sufrir fenómenos de licuación en sismos debido a su baja cohesión. En ocasiones los deslizamientos de coluviones pueden exceder velocidades de tres metros por segundo y se les clasifica como avalanchas. Los deslizamientos de coluviones también pueden clasificarse como flujos de lodo o torrentes de residuos (Varnes, 1978). En zonas sujetas a glaciación, los coluviones pueden ser depósitos producto de los movimientos de los glaciales y pueden formar masas gigantescas de materiales depositados en diferentes épocas, con superficies de depositación claramente definidas.

Características que afectan la estabilidad de los coluviones

Sidle (1985) identificó cinco factores naturales que afectan la estabilidad de las laderas en coluviones, pero la experiencia en los últimos años ha demostrado que existe un número mucho mayor de factores, algunos de los cuales se indican a continuación:

a. Tipo de material de suelo

Dentro de un determinado coluvión la gradación de las partículas y la densidad varían con la profundidad, siguiendo un patrón irregular a través de la extensión del depósito. El tipo, gradación y propiedades de los suelos afectan el comportamiento de los suelos relacionado con sus características hidrológicas y mineralógicas, las cuales pueden

Capítulo 5

Composición y estructura geológica

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controlar la resistencia al cortante. Los coluviones de suelos granulares se comportan en forma diferente a los coluviones en suelos arcillosos.

Estructura de soporte

Es de suprema importancia determinar si la resistencia al cortante es controlada por la fábrica de los clastos o si el porcentaje de matríz es muy alto y es ésta la que controla el comportamiento (Figura 5.19). Los coluviones clasto-soportados generalmente, son más estables que los matrízsoportados.

Figura 5.19 Clasificación de los coluviones por la estructura de soporte.

b. Contenido de arcilla humedad y Límite líquido

Un factor muy importante es el contenido de arcilla. Los coluviones arcillosos tienden a tener mayor cohesión y al mismo tiempo mayor espesor. Los coluviones arcillosos tienden a fluir al aumentar su contenido de agua, especialmente cuando este se acerca al

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Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales

límite líquido. Por esta razón es importante analizar la humedad del coluvión en su estado satu