COMPORTAMIENTO DE ARCILLAS SOME TIDAS

A CARGAS CICLICAS

Pedro ORTIGOSA*Ricardo SALSILLI* *Horacio MUSANTE*Eugenio RETAMAL*

R E S U M E N

Se analiza el comportamiento post carga cíclica de una

arci l la preparada en el laboratorio a partir de un slurry.Las probetas se consolidaron isotrópicamente a un esta-

do normalmente consolidado, para posteriormente ser

sometidas a un proceso de carga cíclica a traoés de la

aplicación de tensiones desviadoras verticales de ampli-

tud constante y aleatorias . Mediante la comparación del

c o m p o r t a m i e n t o c a r g a - d e f o r m a c i ó n n o d r e n a d o a n t e s

y después de la aplicación de la carga cíclica, se estable-

c e e l g r a d o d e d e t e r i o r o i n d u c i d o p o r d i c h a c a r g a e n

la resistencia al corte y rigidez de las probetas ensayadas.

Los resultados se comparan con los informados en la

literatura para diferentes tipos de arcillas.

INTRODUCCION

La necesidad creciente de materializar obras civiles cada vez más monumentales,cuya ejecución es actualmente factible gracias a la implementación de nuevastécnicas y equipos constructivos, y a la cada vez menor disponibilidad de terrenoscon buenas características geomecánicas, ha obligado al enfrentamiento con suelosde baja capacidad de soporte. Dentro de estos destacan los depósitos naturales de

* Ingeniero Investigador del IDIEh4** Alumno memorista , Sección Geotecnia del IDIEM

1 8 REVISTA DEL IDIEM val. 22, no 1, mayo 1983

suelos finos saturados, o artificiales como el núcleo impermeable de una presa,

muchos de los cuales se encuentran emplazados en áreas sísmicamente activas o

donde la obra civil se encuentra sometida a cargas externas de naturaleza cíclica

(plataformas costa afuera, fundaciones de máquinas, cargas de tráfico, hinca de

pilotes, etc.). El comportamiento de estos suelos al ser sometidos a cargas cíclicas

puede analizarse bajo los puntos de vista siguientes:

1 . Degradación de la rigidez a medida que transcurre el evento cíclico lo cual

es importante en el análisis de la respuesta dinámica de la masa de suelo fino

involucrada. Esta respuesta es a su vez determinante en la evaluación de la

magnitud del historial de tensiones cíclicas.

2. Degradación de la resistencia al corte y rigidez una vez finalizada la aplica-

ción de las tensiones cíclicas. Esta degradación dependerá, entre otras cosas,

del historial de dichas tensiones y se manifiesta ~1 poco tiempo de ocurrido

el evento ya sea si se produce un aumento posterior de las solicitaciones

estáticas (por ej. v a c i a d o d e u n a presa: o bien a tensión estática constante

debido a fenómenos de fluencia a largo plazo, probablemente gatillados

por la solicitación cíclica previa. Para que ocurra esto último es necesaria

la existencia de tensiones de corte sostenidas producto de un confinamiento

anisotrópico.

3. Aumento de la resistencia y rigidez del suelo producto de la disipación de los

incrementos de presión de poros generados por la aplicación de las tensiones

cíclicas. Este efecto puede originarse tantas veces como eventos cíclicos se

produzcan, para lo cual sólo se requiere que medie un tiempo suficiente

entre eventos de modo que se desarrolle una efectiva disipación de las

presiones de poros.

En relación al primer aspecto señalado en los párrafos precedentes, se han

formulado métodos para evaluar ia degradación de la rigidez de suelos finos

saturados durante el transcurso del evento cíclico, en términos del historial

de deformaciones cíclicas inducidas en la masa de suelo por dicho evento’. ‘.

Otra forma de evaluación ha sido presentada en términos de los incrementos

de presiones de poros inducidos3. El limitado número d+= análisis no lineales

informados en la literatura se refieren a la respuestA sísmica de depósitos de

arcillas blandas en condición geostática, en donde se demuestra que la de-

gradación es poco significativa en los resultados4. No obstante lo anterior,

existen situaciones en las que las solicitaciones pueden presentar amplitudes

y duraciones suficientes para sobrepasar el límite sobre el cual el efecto de la

degradación en la respuesta dinámica del suelo comienza a ser importante.

Tales situaciones podrían darse en problemas de interacción suelo-estructura

o en depósitos en condición no geostática.

E n relac,ión a l s e g u n d o a s p e c t o , los estudios realizados se han basado en

ensayos similares a los empleados en el análisis de la degradación durante

la aplicación de la carga cíclica 5 a l Il . Para tal efecto se comparan las curvas

tensión-deformación obtenidas con ensayos no drenados estáticos ejecutados

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 1 9

antes y después de aplicada la solicitación cíclica, utilizando probetas geme-

las con confinamiento inicial isotrópico (triaxial) 0 geostático (corte simple).

Menor atención ha recibido el problema relativo al flujo plástico bajo ten-

sión de corte constante (confinamiento anisotrópico) gatillado por eventos1 2cíclicos previos .

El tercer aspecto ha sido analizado experimentalmente vía ensayos triaxiales

con confinamiento isotrópico en los que se pone de manifiesto el aumento

de resistencia y rigidez del suelo producto del drenaje post carga cíclica’.

Dicho aumento se origina por la densificación del suelo durante la etapa

de disipación de los incrementos de presión de poros y resulta equivalente

al fenómeno de quasi preconsolidación. En la Fig. la se ilustra esquemática-

mente el efecto de densificación o de quasi preconsokIación y en la Fig. Ib

los porcentajes de aumento obtenidos para el módulo de deformación y la

resistencia al corte no drenada en probetas de arcilla normalmente consoli-

dadas obtenidas a partir de un slurry7. Obviamente que la magnitud de la

densificación dependerá del valor de los incrementos de presión de poros

inducidos por el evento cíclico, de la cantidad de eventos y de las condicio-

nes de drenaje que permitan una adecuada disipación de dichas presiones de

poros entre eventos cíclicos. El problema reviste gran importancia para

interpretar el mejoramiento de las propiedades mecánicas del suelo producto,

por ejemplo, de un nutrido historial sísmico, de la hinca de pilotes, o bien

debido a procesos de compactación dinámica con un adecuado sistema de

drenaje que permita la disipación de las presiones de poros entre secuencias

de impacto.

A B i E V E N T O CICLICO N O ORENAOOI A

\

VOLUMEN C~NSTANTEI

BC i OISIPACION P P POS1 E V E N T OCICLICO (DRENAJE1

INCREMENIO

“OVA S I

TENSION DE C O N F I N A M I E N T O I S O T R O P I C O , fc

Fig. la. “Densificación” de suelos finos saturados debida a un evento cíclico.

2 0 REVISTA DEL IDIEM val. 22, no 1, mayo 1983

RPC, = ücmax/ãc

,OOl:O 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4

80

r c max f AMPLIIVO Y.X,YA oe LA OESANGULACION

EXPERIMEHlAOA POR LA PROBEIA OURANlE

L A APLICAClON OE L A C A R G A CICLICA ; S EA L C A N Z A E N E L ULlIMO C I C L O D E C A R G A

/

l

l L

üe,,,,üe i D E F I N I D O S E N F I G U R A l a

.l 01

1-0 1 2 3 4 5 6

Y c m a x (*AIFig. lb . Aumento de la resis tencia y rigidez no drenada post carga cíclica + drenaje;

triaxial con carga cíclica de amplitud constante en probetas con RPC, = 1 obtenidasde un slurry7.

En el presente trabajo se cubre el segundo de los aspectos ya señalados para

el caso particular de confinamiento isotrópico en probetas que parten de un es-

tado inicial normalmente consolidado. Incorpora, a diferencia de los trabajos

previos que utilizan ensayos cíclicos con control de carga o deformación de am-

pli tud constante, el efecto de un historial cíclico de amplitud aleatoria quesimula en mejor f o r m a l o s e v e n t o s c í c l i c o s q u e comunmente s e d a n e n l a

práctica.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

Preparación de las muestras

El suelo ensayado corresponde a la arcilla de Quilicura que se encuentra abarcan-

d o u n a e x t e n s a z o n a a l N o r p o r n i e n t e d e l a c i u d a d d e S a n t i a g o . P r e s e n t a u n

peso específico de partículas C, = 2.72, un límite líquido WL = 44.6% y un ín-

dice de plasticidad IP = 19.2%. Con el fin de eliminar la aleatoriedad de propie-

dades índices y mecánicas normalmente presentes en depósitos naturales, se

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 2 1

utilizaron bloques preparados en el laboratorio a partir de un slurry el que fue

c o n s o l i d a d o u n i d i m e n s i o n a l m e n t e a u n a p r e s i ó n v e r t i c a l d e 2 2kg/cm . P a r a

uniformizar aún más el suelo se procedió a remoldear los trozos ex,traídos del

bloque, los que posteriormente fueron tallados con el fin de confeccionar probe-

tas con un diámetro de 3.56 cm y una altura de 7.25 cm.

Tipos y procedimiento de ensayo

Todas las probetas ensayadas se sometieron a un proceso de consolidación inicial

isotrópico con una presión õco = 2 kg/cm’ que es aproximadamente 1,5 veces

la tensión de preconsolidación obtenida mediante ensayos de carga unidimensional,

Fig. 2. Con ello se pretendió partir de un estado inicial normalmente consoli-

dado de acuerdo a las recomendaciones de Ladd y Foott13. El proceso de con-

solidación se mantuvo durante 24 hrs permitiendo el drenaje en ambos extremos

de la probeta, el que fue acelerado mediante el empleo de papel filtro.

I l : / I 1 l -’ 1.4: Ka/cm2I-I-i

0.25 05TENSION V E R T I C A L , Üv (Kg/cm2)

Fig. 2 . Resultado ensayo de compresión unidimens ional en probeta extra ída de l b loque(slurry) y posteriormente remoldeada.

Una vez consolidada la muestra se procedió a la aplicación no drenada

de carga cíclica vertical durante la cual se registró la deformación axial, el

22 REVISTA DEL IDIEM val. 22, no 1, mayo 1983

incremento de presión de poros y la tensión desviadora en función del número

de ciclos. Terminada esta etapa, manteniendo cerrado el drenaje, se registró la va-

riación de la presión de poros durante un lapso de 15 horas, tiempo que fue

suficiente para que se igualizara dicha presión dentro de la probeta. El proceso

finalizó efectuando un ensayo triaxial estático no drenado de compresión en

c a r g a c u y o c o n f i n a m i e n t o i s o t r ó p i c o i n i c i a l , ü,, c o r r e s p o n d i ó a l e s t a d o d e

tensión efectiva alcanzado al término del proceso de igualización de presiones de

poros post carga cíclica. En los casos en que la carga cíclica se reemplazó por

un proceso de preconsolidación estática, e l l o s e e f e c t u ó a u m e n t a n d o e l back

pressure a un valor previamente establecido, con lo cual el incremento de presión

de poros inducido por la carga cíclica fue reemplazado por un incremento estático.

Con el fin de mantener las condiciones finales de las probetas tanto para los

incrementos de presión de poros cíclicos como estáticos, la etapa de igualización

en estos últimos también se mantuvo por un lapso de 15 horas, al cabo del cual

s e e f e c t u ó e l e n s a y o t r i a x i a l e s t á t i c o n o d r e n a d o d e c o m p r e s i ó n e n c a r g a .

Para analizar la influencia de la carga cíclica o de la preconsolidación estática

en el deterioro de la resistencia al corte y rigidez de las probetas, los resultados

del ensayo triaxial no drenado post carga cíclica o post preconsolidación estática

se compararon con los obtenidos en un ensayo triaxial estático no drenado de

r e f e r e n c i a sobre u n a p r o b e t a c o n s o l i d a d a i s o t r ó p i c a m e n t e a õco = 2 kg/cm*

(probeta virgen normalmente consolidada).

Todos los ensayos fueron con control de carga, las probetas se saturaron

hasta alcanzar un parámetro de presión de poros B > 93%, la aplicación de carga

cíclica se efectuó con una frecuencia de 0.15 Hertz manteniendo su amplitud

constante o variable según el caso y la velocidad de carga para los ensayos

triaxiales estáticos fue de 1.2 kg/cm* Ihr. En la Tabla 1 se presenta un resumen de

los ensayos realizados y en la Fig. 3 dos registros típicos de la tensión desviadora

cíclica de amplitud variable aplicada a las probetas.

/+Ud

c l

2 00 10 60 110 160 100 1LO 180

IIEMPO 1 S E 6 1

Fig. 3. Registros típicos de la tensión desviadora cíclica de amplitud variable.

r--Ensayo

N ”

1 ’

r

2

3

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 2 3

T A B L A 1

E N S A Y O S TRIAXIALES E S T A T I C O S D E C O M P R E S I O N EN

CARGA NO DRENADOS

9 ' / 1.0

96 1 1 .o- - -

91 1 .o

100 1 . 0

92 1.0

100 1 . 0

94 1.0

99 1 .o

9 3 . 1 1 . 0

93.2 1 .o

94.5 1 . 0

94.7 1 . 0

* oci2 ,

(kglcm ,

0 . 5

0.5

1 . 5

1 . 0

1 . 0

1.01.0l.i1.5

1 . 0

N[CiClOS)

- -

.~

10

100

10

1 0

100

1 8

90

30

3x

4 t

I\ : Parámetro de presión de poros

WC, : Ruon de preconsolidación inir~al

RPCj.

1.02.04.0

8.0

1.18

1.33

4.44

2 . 2 1

7.84

1.66

3.00

5.62

6.78

2.95

1-c

:

-c1

Descripción triaxial eîtático CIU

Triaxial p”s[ preconsolidación

e s t á t i c ai

Triaxial p o s t pr.econsolidación

por carga cíclica de amplitud

constante.

Triaxial post preconsolidaci6npor carga cíclica de amplitud

Triakial post preconsolidación

est.itica •k cíclica de anlplitud

c-0 : Tcnsiin de confinamiento iniclal isotropica

igual a 2kg/cm* para todas las probetas.

c,,,al : Tensión máxinla de prcconsolidaclón isotrb-pica (para Ids prohctas ensayadasZc~~~&co)

,!A : Incre;nento dc presión de poros IgualIzado alcabo de la prcconsolidación estática (ensayos2 a 4), al cabo de la aplicación de carga cícll-ca (ensayo 5 a 13) o al cabo de ia suma dealnhas (ensayo 14). ____-. . . .

* Ensayo trla.\lal dc r-eferencu en probeta normalmente consolldada.

RESULTADOS

En la Fig. 4 se definen los términos en base a los cuales se cuantificó la degra-

dación de la resistencia al corte y rigidez no drenada debida a la aplicación

de carga cíclica. Para el ensayo triaxial de referencia en probeta normalmente

consolidada los valores de S u y E, resultaron iguales a 1.65 kg/cm2 y 118 kg/cm2

respectivamente. Estos valores se utilizaron como base de comparación para

evaluar los factores de degradación de resistencia al corte, Rs,, y de rigidez,

RE,1 en función de la razón de preconsolidación final RPCf inducida en la pro-

b e t a e n f o r m a e s t á t i c a o p o r el incremento de presión de poros desarrollado

durante la carga cíclica. En ambos casos los incrementos de presión de poros

corresponden a valores igualizados.

24 REVISTA DEL IDIEM vol. 22, no 1, mayo 1983

IeJ C U R V A S TENSION - D E F O R M A C I O N P A R AP R E C O N S O L I D A C I O N ESTATICA

I bl C U R V A S TENSION - D E F O R M A C I O N P A R AP R E C O N S O L I D A C I O N C I C L I C A

RESuLlADOS PARA PROBF_

TA V I R G E N NORUALMENIE

CONSOLIOAOA

-.-.- RCSULlAoOS P A R A PROBLIA

C O N CRLCONSOLtDAC I O N

LSlAllCA 0 CICLICA

RS”* SUS’ò s u c i

s u SU

ü, f ãjp=-

---* 2Eust ò

REu z E,E uci

= 2 KSlcm2Eu

IC 1 TRAYECTORIAS D E TENSIONES EFECTIVAS

ev

Au

sus.l*tSJCi

Eu

Eust

E“Cl

RS”

REu

= D e f o r m a c i ó n u n i t a r i a v e r t i c a l d e l a p r o b e t a

= I n c r e m e n t o p.p. i g u a l i z a d o a l c a b o d e l a p r e c o n s o l i d a c ì ó n e s t á t i c a o a l c a b o d e

l a a p l i c a c i ó n d e c a r g a c í c l i c a .

= Resktencia al corte no drenada en probota virgen normalmente consolidada. (RPCo = 1)

= R e s i s t e n c i a a l c o r t e n o d r e n a d a r?r.heta con preconsolidacih e s t á t i c a .

= R e s i s t e n c i a a l c o r t e n o d r e n a d a p o s t c a r g a c í c l i c a .

= M ó d u l o d e d e f o r m a c i b n n o d r e n a d o e n p r o b e t a v i r g e n N . C . a 0 . 5 (a, - ug)max

= M ó d u l o d e d e f o r m a c i ó n n o d r e n a d o p a r a p r e c o n s o l i d a c i ó n e s t á t i c a a 0.5(u1 - us)max

= Módulo de deformación no drenado post carga cíclica a 0.5(ul - u3 )m zw

= F a c t o r d e d e g r a d a c i ó n d e l a r e s i s t e n c i a a l c o r t e n o d r e n a d a .

= F a c t o r d e d e g r a d a c i ó n d e l a r i g i d e z a c a r g a n o d r e n a d a

NOTA: Si’ RPCo > 1, los térr$nos de referencia Su y Eu determinados en probetas confinadas., -

a l a preslon uco.

Fig. 4. Definición de la terminología empleada

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 2 5

L a v a r i a c i ó n d e l o s p a r á m e t r o s d e d e g r a d a c i ó n R,\r, y R,,, e n f u n c i ó n d e

KPCI- a p a r e c e n graficados e n l a s F i g s . 5 y 6 r e s p e c t i v a m e n t e . E s t o s r e s u l t a d o s

i n d i c a n q u e : (i) A m e d i d a q u e a u m e n t a KZ’C-~ o . s i s e q u i e r e . a m e d i d a .que lOS

i n c r e m e n t o s d e p r e s i ó n d e p o r o s i n d u c i d o s p o r,

l a preconsolrdacton e s t á t i c a

0 c í c l i c a a u m e n t a n , s e p r o d u c e u n d e t e r i o r o e n l a r e s i s t e n c i a a l c o r t e y err Id

r i g i d e z d e l s u e l o ; (ii) El d e t e r i o r o e s m á s dramitico p a r a e l c a s o d e la r i g i d e z

q u e p a r a l a r e s i s t e n c i a : y ( i i i ) L a a p l i c a c i ó n d e c a r g a c í c l i c a d e a m p l i t u d var-iable

e s m e n o s d e g r a d a n t e q u e l a c a r g a c í c l i c a d e a m p l i t u d c o n s t a n t e .

l PRECOHSOLI OAC,ON ESTATICA /1

l

00 PRECONSOLIDACION P O R C A R G A CICLICA A M P L I T U D C O N S T A N T E

l

P R E C O H S O L I O A C I O N P O R C A R G A C I C L I C A AMPLITUO V A R I A B L E~---

RPCf = ücm,& üc

Fig. 5. Factor de degradación de la resistencia al corte no drenada - Probetas obtenidas de unslurry con RPC, = 1.

C o n e l f í n d e e s t a b l e c e r h a s t a q u e p u n t o e l e f e c t o d e l a p r e c o n s o l i d a c i ó n

e s t á t i c a r e s u l t a s i m i l a r a l p r o v o c a d o p o r l a p r e c o n s o l i d a c i ó n c í c l i c a s e e l a b o r a r o n

las Figs. 7 y 8.

26 REVISTA DEL IDIEM val. 22, no 1, mayo 1983

Fig. 6.

1

1

1.

0

¿0:

0

(

C

Factor de degradación del módulo de deformación no drenado al SOSde l afalla - Probetas obtenidas de un slurrv con RPCo = 1 .

6.0

;

-7-11l P�sCO*SOLID*EIO* IS~AIICA

1

I 1 1 I5 6 7 8

tensión de

RPCt = ucmr/ucFig. 7. Resistencia al corte no drenada normalizada - Probetas obtenidas de un slurry

c o n RPCo = 1 .

COMPORTAMIENTO ARCILI.AS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 27

c A PRECOHSOLIDACIOH P O R CARGA CICLICA AMPLITUD V A R I A B L E

160, __-

11

,-, PRECOHSOLIOACION ESTATICA + CICLICA AHPLITUD :ONSTANTE

F i g . 8 . Normalizaci<jn del módulo de deformación no drenAdo al 50% dc la tensión de falla- Probetas obtenidas de un slurry con KPCo = 1.

En la p r i m e r a d e e l l a s s e o b s e r v a q u e e x i s t e u n c o m p o r t a m i e n t o

n o r m a l i z a d o d e l a r e s i s t e n c i a a l c o r t e n o d r e n a d a , p r á c t i c a m e n t e i n d e p e n d i e n t e

d e l t i p o d e p r e c o n s o l i d a c i ó n s e a é s t a e s t á t i c a , c í c l i c a d e a m p l i t u d c o n s t a n t e o

c í c l i c a d e a m p l i t u d v a r i a b l e . Un r e s u l t a d o s i m i l a r e s i n f o r m a d o p o r Koutsoftas’.

p o r M a t s u i e t a l ’ y p o r M a t s u i y Abe’ a l c o m p a r a r r e s i s t e n c i a s n o d r e n a d a s e n

f u n c i ó n d e l g r a d o d e p r e c o n s o l i d a c i ó n e s t á t i c o y c í c l i c o d e a m p l i t u d c o n s t a n t e .

E n l o r e f e r e n t e a l m ó d u l o d e d e f o r m a c i ó n . l a F i g . 8 i n d i c a q u e e l c o m p o r t a m i e n -

t o n o r m a l i z a d o s e e x t i e n d e h a s t a v a l o r e s d e RPCf z 3. o b s e r v á n d o s e u n d i v o r c i o

e n l a s c u r v a s p a r a r a z o n e s d e p r e c o n s o l i d a c i ó n m a y o r e s . E s t e d i v o r c i o e s m á s

28 REVISTA DEL IDIEM val. 22, no 1, mayo 1983

s i g n i f i c a t i v o c u a n d o s e c o m p a r a e l e f e c t o d e l a p r e c o n s o l i d a c i ó n e s t á t i c a c o n

l a c í c l i c a d e a m p l i t u d c o n s t a n t e . P a r a p r e c o n s o l i d a c i o n e s d e b i d a s a c a r g a s

c í c l i c a s d e a m p l i t u d v a r i a b l e e l d i v o r c i o t i e n d e a s e r m e n o s p r o n u n c i a d o ; s i n

e m b a r g o , l o s r e s u l t a d o s c o n c a r g a s c í c l i c a s d e a m p l i t u d v a r i a b l e m u e s t r a n u n a

m a n i f i e s t a d i s p e r s i ó n , a t r i b u í b l e a q u e e l p a t r ó n q u e c a r a c t e r i z a l a e v o l u c i ó n

t e m p o r a l d e d i c h a s a m p l i t u d e s f u e d i f e r e n t e p a r a c a d a e n s a y o ( v e r F i g . 3).L o s r e s u l t a d o s d e l a F i g . 8 s o n s i m i l a r e s a l o s i n f o r m a d o s p o r M a t s u i y Abe

( 1 9 8 1 ) . E s t o q u e d a d e m a n i f i e s t o e n la F i g . 9 , e n l a c u a l s e o b s e r v a q u e p a r a

RPC~ > 2 l o s m ó d u l o s d e d e f o r m a c i ó n n o r m a l i z a d o s o b t e n i d o s c o n preconsoli-

dación c í c l i c a d e a m p l i t u d c o n s t a n t e s o n m e n o r e s a l o s a s o c i a d o s a u n a precon-

s o l i d a c i ó n e s t á t i c a . E s t a d i s m i n u c i ó n s e a c r e c i e n t a a m e d i d a q u e KPCf a u m e n t a ,

t e n d i e n d o a a s i n t o n i z a r s e p a r a v a l o r e s d e RPCf e n t r e 6 y 8 . D e l o s r e s u l t a d o s

e x p u e s t o s e n l a s F i g s . 7 a 9 es posible concluir que: ( i ’ Existe comportamiento

n o r m a l i z a d o d e l a r e s i s t e n c i a a l c o r t e n o d r e n a d . 1 e n f u n c i ó n d e l a r a z ó n d e

p r e c o n s o l i d a c i ó n RPCf i n d e p e n d i e n t e m e n t e s i e s t a ú l t i m a s e o r i g i n a p o r s o l i c i t a -

c i o n e s e s t á t i c a s o p o r e v e n t o s c í c l i c o s d e a m p l i t u d c o n s t a n t e o v a r i a b l e : (ii) P a r a

e l m ó d u l o d e d e f o r m a c i ó n n o d r e n a d o e s v á l i d a l a c o n c l u s i ó n a n t e r i o r e n t a n t o

que RPCf < 2: ( i i i ) Para RPCf > 7 s e o b s e r v a u n d i v o r c i o e n l a n o r m a l i z a c i ó n

d e l o s m ó d u l o s d e d e f o r m a c i ó n q u e s e t r a d u c e e n v a l o r e s d e E,/u, p a r a preconso-

lidación c í c l i c a d e a m p l i t u d c o n s t a n t e m e n o r e s a l o s o b t e n i d o s c o n preconsolida-

ción e s t á t i c a : y ( i v ) P a r a l o s e n s a y o s c o n p r e c o n s o l i d a c i ó n c í c l i c a d e a m p l i t u d v a -

riable y RPCf > 7 n o e x i s t e u n a t e n d e n c i a d e f i n i d a e n l o s m ó d u l o s n o r m a l i z a d o s ,

l o q u e s e r í a a t r i b u í b l e a d i f e r e n c i a s e n l o s h i s t o r i a l e s d e c a r g a c í c l i c a u t i l i z a d o s

e n d i c h o s e n s a y o s .

0.81

Fig. 9 . Comparación e n t r e l o s m ó d u l o s d e d e f o r m a c i ó n n o r m a l i z a d o s p a r a p r e c o n s o l i d a c i ó nestática y cíclica de amplitud constante - Probetas obtenidas de un slurry con RPCo = 1.

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMFTIDAS CARGAS CICLICAS

COMPARACION DE RESULTADOS

2 9

Con el fin de establecer una comparación entre los factores de degradación de

resistencia al corte, R,yu, y de rigidez, RE,,, obtenidos en el presente trabajo

con los informados por otros investigadores, se confeccionaron las Figs. 10 y 11.

En la Tabla II se resumen las principales características de los suelos ensayados

observándose que corresponden a probetas de arcilla naturales y confeccionadas

a partir de un slurry, con límites de Atterberg que cubren un amplio espectro.

T A B L A I I

PROPIEDADES 1NDICES Y C O N D I C I O N E S D E E N S A Y O P A R A

E V A L U A R L A DEGRADAClON P O S T C A R G A CICLICA E N

S U E L O S F I N O S S A T U R A D O S

Los factores de degradación graficados corresponden a preconsolidaciones orl-

ginadas exclusivamente por carga cíclica, eligiéndose las formas de representa-

ción tradicionales utilizadas en la literatura. Dichas formas expresan los factores

de degradación en función de la razón de preconsolidación RI->Cf o en términos

de la amplitud máxima de la desangulación cíclica, yrrn ix, experimentada por

la probeta durante la aplicación del histor al de carga cíclica. Todos los ensayos

se realizaron en equipos triaxiales con cc ntrol de carga, salvo los informados por

Singh et al4 que utilizaron control de deformación. La amplitud de la carga o

de la deformación cíclica impuesta a la probeta fue constante en todos ellos,

salvo el conjunto de ensayos efectuados en el presente trabajo en los que se

a d i c i o n ó e l e m p l e o d e c a r g a cíclica de amplitud variable (aleatoria). En lo

referente al valor de yc,,, ix, para los ensayos con carga cíclica de amplitud

constante, su valor se obtiene en el último ciclo de carga ya que la probeta

se ablanda a medida que transcurre el ensayo. Este ablandamiento tiene su

origen en el incremento de la presión de poros, Au, inducido por el ciclaje.

30 REVISTA DEL. IDIEM vol. 22, no 1, mayo 1983

CSlC TRA6AJO :

0 l RCCOt4SOttD*CIOY ClcLIC* DCAYP�l,�D CONSlANlC

0,

0.3

o?

0.

0 . 6

l--zzzr@ ?RCCOYSOLlDACIOW CICLICA DI

CAS110 ” CIIRlSIIAYIlb%

DESANGULACION

rc m a x (XI

CICLICA

Fig. 10. Factores de degradación para cargas ciclicos de la resistencia al corte no drenada- Arcillas con RPCo = 1 ensayadas en triaxial cíclico.

I CSlC ,“A.AJO , “,C, s 1 . 0 , : CS’IC 11ABAlO lI),‘C, . l.,, :

@ ?RECOMSOLIDAC10)1 ElCUCA O C 0 M!COYSOLlBACIOY C I C L I C A DliAYPLIWO COYS,AY, E AYCLI,UO CO”SIAWfL

@ PRCCOWSOL1OACIOY C I C L I C A D CAMPLIWO “A”IA.LE

1 3 5 7RPC , = ücmx/üc

l-4\ --- --~-----Sm-0. \\ I

l

OOI I I

2 4 6AMPLITUD DESANGULACION CICLICA

rclnox (x)Fig. 11. Factores de degradación para carga cíclica del módulo de deformación no drenado al

50% de la tensión de falla - Arcillas ensayadas en triaxial cíclico con control de carga.

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 3 1

P a r a e l c o n j u n t o d e e n s a y o s c o n c a r g a c í c l i c a d e a m p l i t u d v a r i a b l e , l a desangula-

ción c í c l i c a m á x i m a s e o b t u v o h a c i a e l t é r m i n o d e l a a p l i c a c i ó n d e c i c l o s

d e g r a n a m p l i t u d .

P a r a e f e c t o s d e d e t e r m i n a r 7cmáx en los ensayos t r iaxiales , se ut i l izó la s i -

g u i e n t e r e l a c i ó n :

en que v = m ó d u l o d e Poisson d e l s u e l o e n s a v a d o q u e r e s u l t a igu,ll J 0.5 p o r

t r a t a r s e d e sarga c í c l i c a en con.iiciones n o d r e n a d a s y cm, is = m á x i m a

a m p l i t u d d e l a det‘ormacicin clclic. v e r t i c a l e x p e r i m e n t a d a p o r l a p r o b e t a

d u r a n t e 1~ a p l i c a c i ó n d e I n c a r g a c í c l i c a . t 11 t o d o s los e n s a y o s g r a f i c a d o s

E ‘- II, á Y = 0 . 5 E,, áxI,r, s i e n d o Cn,,,i,i’ ia nl5xima a m p l i t u d p i c o - p i c o r e g i s t r a d a :

s e e x c e p t ú a n l o s tesult.ldos d e M a t s u i e t al7 e n l o s q u e s e a d o p t ó el mjximo

v a l o r d e E, e n t r e e l e s t a d o d e c o m p r e s i o n v e x t e n s i ó n . C a b e s e ñ a l a r fin.llmente

q u e n o s i e m p r e f u e p o s i b l e i n c o r p o r a r l a i n f o r m a c i ó n r e c o g i d a d e d i f e r e n t e s

a u t o r e s e n t o d o s ios gr.íficos p r e s e n t a d o s e n l a s Figs 10 y l l : e l l o d e b i d o a q u e

e n a l g u n o s c a s o s dich. i n f o r m a c i ó n a p a r e c e e n t é r m i n o s d e RI>Ct, e n o t r o s e n

t é r m i n o s d e yC m :iX o simplemente p o r q u e s e desconoce l a t o t a l i d a d d e lo\

r e s u l t a d o s d e l o s p r o g r a m a s d e e n s a y o q u e h a b r í a p e r m i t i d o u n a m a n i p u l a c i ó n

m á s c o m p l e t a d e e l l o s .

E n l o q u e respect2 .tl f.~itor d e d e g r a d a c i ó n K,J!,. l o s resultados graficados

e n l a F i g . 1 0 p e r m i t e n conc!uit q u e : ,i’ En t o d o s l o s CLSOS e x i s t e u n deterioro

d e l a r e s i s t e n c i a a l corte n o Jrcnada p o s t c‘lrga c í c l i c a q u e a u m e n t a c o n RI’Cf

( a u m e n t o d e nll’ o c o n yrlY, dx: ii! N o e x i s t e u n a c o r r e l a c i ó n a p a r e n t e e n t r e

d i c h o d e t e r i o r o y l a p l a s t i c i d a d d e l s u e l o : ~iii’ P a r e c i e r a que l a s probet.ls p r e p a -

r a d a s a p a r t i r d e u n .zlrrrry p r e s e n t a n u n m a y o r g r a d o d e d e t e r i o r o q u e las

p r o b e t a s n a t u r a l e s : (iv N o s e prl)duce u n .rsintotizaIniento e v i d e n t e d e K,tl, a

m e d i d a q u e aumenta RPCf o Y,.,,, dS: vi Llesde u n p u n t o d e v i s t a pr;ctico r e s u l -

t a m á s c o n v e n i e n t e e x p r e s a r e l f a c t o r d e d e g r a d a c i ó n Rs,, e n t é r m i n o s d e Ia

d e s a n g u l a c i ó n -yC-,,, ,is, v a q u e e s t e ú l t i m o p a r á m e t r o e s e l q u e t r a d i c i o n a l m e n t e

s e o b t i e n e e n l a r e s p u e s t a d i n á m i c a d e u n d e p ó s i t o d e s u e l o o e n u n p r o b l e m a

d e i n t e r a c c i ó n s u e l o e s t r u c t u r a : l a e x p r e s i ó n d e RA,, e n t é r m i n o s d e l a r a z ó n

d e p r e c o n s o l i d a c i ó n RI’Ct p r e s e n t a e l i n c o n v e n i e n t e d e t e n e r q u e e v a l u a r l o s

i n c r e m e n t o s d e p r e s i ó n d e p o r o s l o c u a l introdllce u n a c o m p l i c a c i ó n i n n e c e s a r i a :

ivi! A l c o m p a r a r l o s v a l o r e s d e Rsu e n f u n c i ó n d e ycm ix s e h a c e e v i d e n t e q u e u n

historial cícl ico de ampli tud variable. origina un deterioro en la resistencia al corte

f r a n c a m e n t e i n f e r i o r q u e e l p r o v o c a d o p o r u n h i s t o r i a l c í c l i c o d e a m p l i t u d

c o n s t a n t e ; p a r a h a c e r e q u i v a l e n t e s a m b o s h i s t o r i a l e s , e l l i m i t a d o n ú m e r o d e e n -

s a y o s d i s p o n i b l e s i n d i c a q u e e l ycm ix a s o c i a d o a l h i s t o r i a l d e a m p l i t u d v a r i a b l e

h a b r í a q u e m u l t i p l i c a r l o p o r u n c o e f i c i e n t e r e d u c t o r i g u a l a 0.30 c o m o m í n i m o ;

y ( v i i ) P a r a d e p ó s i t o s e n c o n d i c i ó n g e o s t á t i c a l a m a g n i t u d d e l o s v a l o r e s d e Rsu

3 2 REVISTA DEL IDIEM WI. 22, n” 1, mayo 1983

e s p o c o s i g n i f i c a t i v a y a q u e , e n e l c a s o d e s i s m o s , e s d i f í c i l q u e s e d e s a r r o l l e n

v a l o r e s d e ~~.,,,á~ s u p e r i o r e s a 3 x 10-l %, c o n l o c u a l e l p o r c e n t a j e d e r e d u c c i ó n

e n l a r e s i s t e n c i a d e s u e l o s f i n o s s a t u r a d o s p o s t c a r g a c í c l i c a e s i r r e l e v a n t e : s i n

e m b a r g o , p u e d e n e x i s t i r s i t u a c i o n e s n o g e o s t á t i c a s o p r o b l e m a s d e i n t e r a c c i ó n

s u e l o e s t r u c t u r a ;por e j . h i n c a d e p i l o t e s ) e n l o s c u a l e s d i c h o p o r c e n t a j e d e

r e d u c c i ó n p o d r í a a l c a n z a r v a l o r e s d e c i e r t o inter-és.

E n l o r e l a t i v o a l f a c t o r d e d e g r a d a c i ó n Rt:u. l o s r e s u l t a d o s graficados e n l a

F i g . 1 1 p e r m i t e n c o n c l u i r q u e : \i\ E n t o d o s l o s c a s o s e x i s t e u n d e t e r i o r o d e l m ó -

d u l o d e d e f o r m a c i ó n n o d r e n a d o p o s t c a r g a cíclica q u e a u m e n t a c o n RI’Ct

‘ a u m e n t o d e ~3rd: o c o n Y,-~ ;rx: e s t e d e t e r i o r o t i e n d e a .rsintotizarse p a r a desan-

g u l a c i o n e s c í c l i c a s d e l o r d e n d e 4 % i n d e p e n d i r n r e m e n t e d e l a p l a s t i c i d a d d e l

s u e l o f i n o involucr,rdo. d e 1,a n a t u r a l e z a d e l a s prclbetas naturales o p r e p a r a d a s

a p a r t i r de u n sltcrr) y d e l g r a d o d e preconsolld;lcion i n i c i a l RPCo: \iij N o

e x i s t e u n a correlacion a p a r e n t e e n t r e Rj.L,. Ia p l a s t i c i d a d d e l s u e l o , la n a t u r a l e -

z a d e l a s p r o b e t a s y el ~aalor d e RI>C,,; \iii A l igu,il q u e e n e l c a s o d e d e g r a d a -

c i ó n d e l a r e s i s t e n c i a al c o r t e , r e s u l t a mis c o n v e n i e n t e e x p r e s a r l a d e g r a d a c i ó n

d e r i g i d e z e n terminos d e Id desangulacion Y,.“, ,,, e x p e r i m e n t a d a p o r e l s u e l o

d u r a n t e e l e v e n t o c í c l i c o : mis ,iún . par,* u n deterrnin.tdo s u e l o , p a r e c i e r a q u e l a

variacion RI- u VS y,. m I,x r e s u l t a i n d e p e n d i e n t e d e 1a r a z ó n d e p r e c o n s o l i d a c i ó n

inicial RPC‘, : l\iv? Al c o m p a r a r l o s v a l o r e s d e Rb. [ , e n f u n c i ó n d e ycm ix n u e v a -

m e n t e s e h a c e e v i d e n t e q u e u n histori‘rl c í c l i c o de .rmplitud v a r i a b l e o r i g i n a u n

d e t e r i o r o e n l a r i g i d e z f r a n c a m e n t e i n f e r i o r q u e e l p r o v o c a d o p o r u n h i s t o r i a l

ciclico d e a m p l i t u d c o n s t a n t e : p a r a h a c e r equivalentes a m b o s h i s t o r i a l e s , e l

l i m i t a d o n ú m e r o d e e n s a y o s d i s p o n i b l e s i n d i c a q u e e l Y..,,, ,~\ a s o c i a d o a l h i s t o -

r i a l d e a m p l i t u d v a r i a b l e h a b r í a q u e multiplicCrl-lo por- u n cocliciente r e d u c t o r

igual a 0.5 c o m o m í n i m o : \ v) A difer-encia d e 10 q u e ocurr-e p a r a el t‘actor

R,\ II. la d egrddacibn Jc l a r i g i d e z p o s t cdrgd cíclic,l hc v e d tectada m a s d r a m á -

t i c a m e n t e p o r e l e v e n t o c í c l i c o : e s t o signific,r q u e pC1rrl d e p ó s i t o s d e s u e l o s

f i n o s s a t u r a d o s . e 1 e tc c t 0 d c I .I ti e g r d d 3 c ib n p ~1 s t c a t 2 d c í c l i c a e n ia r i g i d e z d e l

s u e l o d e b e s e r c«nsider.ido m u y cuiciadusamente. e:pec-i,tlmente e n p r o b l e m a s

n o g e o s t á t i c o s 0 c u a n d o Ia i n t e r a c c i ó n s u e l o e s t r u c t u r a i n d u z c a n i v e l e s d e

d e s a n g u l a c i ó n c í c l i c a s u p e r i o r - e s a O.~YO ,tmplitud cconst.tnte o s u p e r i o r e s a 1 %

!amplitud variable

E F E C T O D E L A F R E C U E N C I A

E s u n h e c h o a m p l i a m e n t e a c e p t a d o q u e e n s u e l o s f i n o s s a t u r a d o s l a f r e c u e n c i a

de la carga cíclica juega un papel relevante. E s t o q u e d a d e m a n i f i e s t o e n la F i g . 13

e n d o n d e s e o b s e r v a q u e , p a r a f r e c u e n c i a s m e n o r e s a 0.1-0.3 H e r t z , l o s i n c r e m e n -

t o s d e p r e s i o n e s d e p o r o s i n d u c i d o s p o r l a s o l i c i t a c i ó n c í c l i c a a u m e n t a n consi-

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 33'

derablemente, tendiendo a asintonizarse para frecuencias mayores a dicho límite.

Esto significaría que: (i) P ara el caso de eventos sísmicos en los cuales las fre-

cuencias predominantes en la zona de movimiento fuerte exceden 0.5 Hertz,

se estaría trabajando en la zona plana de las curvas; y (ii) Para el caso de proble-

mas en los cuales la frecuencia desciende a valores inferiores a 0.1-0.2 Hertz

(por ej. acción cíclica de oleaje) es necesario tener en cuenta el aumento de las

presiones de poros introducido por este concepto,

llO------- 1

U d- =y 0 . 42 su

I I

,--MATSUI E T A L (1980)

F R E C U E N C I A , H E R T ZFig . 12, Inf luencia de la frecuencia de la carga cíilica en la generación de presiones de

poros; triaxiales con carga cícl ica de amplitud constante en probetas confeccio-nadas de un slurry.

Afortunadamente, las relaciones Rsu y RE,, en función de Tcmax n o s e

ven afectadas por la frecuencia de la solicitación ciclica empleada’. El limitado

número de ensayos indica además que dichas relaciones resultan independientes

de RPCIJ y de la presión efectiva de confinamiento inicial, üCO, por lo menos

para valores de hasta 4 kg/cm2. Por tal motivo, el empleo de la desangulación,

cíclica máxima desarrollada durante el evento emerge como el parámetro mas

adecuado para cuantif icar los niveles de degradación post carga cíclica. Cabe

señalar sin embargo, que en la evaluacion de rCrnáx, debe tenerse muy en

cuenta el efecto que sobre dicha desangulación t ienen RPCo y o t ros paráme-

34 REVISTA DEL IDIEM val. ‘22, no 1, mayo 1983

tros tales como la compacidad, estructura de partículas, edad del depósito, magni-

tud y sistema de tensiones de confinamiento, amplitud, frecuencia y cantidad de

desangulaciones cíclicas pasadas y presentes (caracterización del historial cíclico);

a lo anterior deben agregarse las condiciones propias del equipo de ensayo las

que introducen e r r o r e s e n l o s r e s u l t a d o s d e b i d o a q u e n o n e c e s a r i a m e n t e

r e p r o d u c e n e n f o r m a f i e l l a s c o n d i c i o n e s d e t e r r e n o . E n r e s u m e n , e l p r o b l e -

m a s e t r a d u c e a l a c o r r e c t a e v a l u a c i ó n d e l a s d e s a n g u l a c i o n e s c í c l i c a s e x p e r i -

mentadas por la masa de suelo, lo cual cae dentro del campo del análisis de la

respuesta dinámica del depósito.

CONCLUSIONES

En el presente trabajo se ha analizado la degradación de las características de

resistencia al corte y rigidez post carga cíclica en suelos finos saturados para

c o n d i c i o n e s m u y p a r t i c u l a r e s q u e c o r r e s p o n d e n a c o n f i n a m i e n t o i s o t r ó p i c o .

E n t r e l a s c o n c l u s i o n e s m á s r e l e v a n t e s d e s t a c a n l a s s i g u i e n t e s :

Ex i s te compor tamien to normal izado pa ra la resistencia al corte indepen-

dientemente si la preconsolidación es de naturaleza estática, cíclica de amplitud

constante o cíclica de amplitud variable. Esta conclusión puede hacerse exten-

siva al módulo de deformación no drenado en tanto que las razones de precon-

so l idac ión s ean i n f e r i o r e s a 2 .0 . Para valores superiores al indicado, existe un

divorcio en el comportamiento normalizado que se traduce, para un RPCf dado,

en un menor valor del módulo de deformación E,/ã, cuando la preconsolidación

es de na tu ra l eza c í c l i c a (ãc r e p r e s e n t a l a t e n s i ó n e f e c t i v a d e c o n f i n a m i e n t o

i s o t r ó p i c o a l t é r m i n o d e l p r o c e s o d e preconsolidaciónl.

Resulta más convenientes expresar la degradación de la resistencia al corte

y r ig idez pos t ca rga c í c l i ca en t é rminos de l a desangu lac ión c í c l i ca máx ima ,

yc,,, ix, i n d u c i d a e n e l s u e l o d u r a n t e e l e v e n t o . E n e s t a f o r m a l o s r e s u l t a d o s

tienden a independizarse de la razón de preconsolidación inicial del suelo, de la

frecuencia y de la presión de confinamiento inicial.

En la evaluación de la desangulación ~~,,,a~ deben tenerse en cuenta todos

los factores que afectan su determinación y que son propios de la problamática

relativa al análisis de la respuesta dinámica de depósitos de suelo.

A m e d i d a q u e Y,-,,ax aumenta la degradación de la resistencia al corte y

rigidez se incrementan, siendo más acentuado el efecto en la rigidez. La degra-

dación de la rigidez tiende a asintotizarse para ycm ax > 4 %.

E l e f e c t o d e c a r g a s cíclicas de amplitud variable introduce degradaciones

inferiores a las originadas por cargas cíclicas de amplitud constante. EI limitado

número de ensayos indica que para hacer equivalentes ambos tipos de historiales

en la evaluación de la degradación de resistencia, el valor de 7cm ix asociado al

e v e n t o d e a m p l i t u d v a r i a b l e d e b e r e d u c i r s e a u n t e r c i o ; c u a n d o s e t r a t a d e

COMPORTAMIENTO ARCILLAS SOMETIDAS CARGAS CICLICAS 35

evaluar la degradación de rigidez la reducción debe ser a la mitad.

Futuras investigaciones d be en o r i en t a r s e a cuan t i f i c a r en me jo r fo rma lo s

c o e f i c i e n t e s d e r e d u c c i ó n p a r a eventos cíclicos de amplitud variable, tratando

d e c o r r e l a c i o n a r l o s c o n p a r á m e t r o s q u e c a r a c t e r i c e n d i c h o s e v e n t o s . E n i g u a l

fo rma debe amp l i a r s e e l e s tud io r e l a t i vo a l e f ec to bené f i co de l d r ena j e en t r e

aplicaciones de eventos cíclicos, para lo cual se recomienda analizar dicho efecto

en función del número de eventos y de las características de estos.

BIBLIOGRAFIA

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CLAY REHAVIOUR UNDER CYCLIC LOADS

S U M M A R Y

Tlze post cyclic behauiour for clay samples obtained from a slurry is analysed by meam of

cyclic triaxiul tests. Samples mere normally consolidated using isotropic stresses and subseqttent-

ly tested by applyirlg a cofltrolled tlertica/ cyclic IcIad with cc>nstant arld variable amplitudes.

uy comparirlg tlle utzdrai,led stress-straitl I>ellaG)lir before atad after tile cyclic load applicatiotl

i r is deii~red a tlegradatiorlcoef~ficielrf f¿>r I>c)tli slrear stretlCqtlr ulti dcf;)rmdtion mod~cll~r.

K(Jsul:s ‘ir<’ cornpared witlr t/r<>se reported by dift,rerlt <II< tlrc)r.\ 01, <1 UGd? k¿ri‘q< <,t Cl‘l‘~.¡.