Análisis del Suelo en Envigado

 Analizar detalladamente una muestra de suelo en zonas aledañas a la ciudad de Medellín mediante pruebas y ensayos de laboratorio, con el fin de determinar las principales propiedades físicas y mecánicas que este posee. 

Objetivo General

 Consultar los factores externos a los cuales está sometido el suelo a estudiar, como la ubicación geográfica de la zona, morfología, geología, hidrología y uso. 

Objetivo Específico

 Extraer la muestra del lugar de estudio y realizar con esta el análisis correspondiente en el laboratorio para obtener sus características físicas y mecánicas. 

Objetivo Específico

 Considerar diferentes tipos de condiciones de carga a las cuales se puede llegar a someter el suelo y determinar el comportamiento que este podría llegar a tener. 

Objetivo Específico

Juan José Calle Fernández

Estudiante de Ingeniería Civil de la Universidad EIA, sexto semestre. Nacido en Armenia, Quindío el 16 de Mayo de 1998 y egresado del colegio GI School.

Carolina Lotero Pérez

Estudiante de Ingeniería Civil de la Universidad EIA, sexto semestre. Nacida en Medellín, Antioquia el 7 de Noviembre de 1997 y egresada del Marymount School.

Juan Pablo Velásquez Sánchez

Estudiante de Ingeniería Civil de la Universidad EIA, sexto semestre. Nacido en Medellín, Antioquia el 27 de Mayo de 1998 y egresado del Colegio Sagrado Corazón Monte Mayor.


Colombia se encuentra ubicado sobre el trópico en el noroccidente de Sudamérica. En el sur del país se presenta el punto de quiebre de la Cordillera de Los Andes, donde se convierte en las cordilleras oriental, central y occidental. El Valle de Aburra es una sub-región administrativa ubicada en el centro del departamento de Antioquia sobre la Cordillera Central.

El lugar de estudio se encuentra ubicado en el sector conocido como la Loma del Chocho, el cual hace parte de municipio de Envigado, Antioquia y terminando el ascenso de dicha loma en la Urbanización San Francisco., en la vereda Santa Catalina y su dirección es: Calle 36 Sur #21-85.

Sus coordenadas geográficas son ( 6°09'59.6" N, 75°33'21.8" W) en el sistema World Geodeic System (WGS 84).

Imagen 1: Ubicación de la zona sobre el globo terráqueo. Tomado de Google Maps.
Imagen 2: Ubicación de la zona sobre Colombia. Tomado de Google Maps.
Imagen 3: Ubicación de la zona sobre Antioquia. Tomado de Google Maps.
Imagen 4: Ubicación de la zona sobre el Valle de Aburrá. Tomado de Google Maps.
Imagen 5: Lugar de estudio.

Las regiones del valle del Aburrá y el oriente Antioqueño poseen un comportamiento pluvial en el cual se presentan precipitaciones a lo largo de todo el año, pero con dos épocas húmedas y dos épocas secas. El lugar de estudio se puede encontrar a una altura entre los 1830 y 1860 m.s.n.m., lo cual afecta condiciones climáticas como la temperatura y el viento. (Alcaldía de Envigado, 2011)

La temperatura promedio en Envigado es de 21.1 °C y la precipitación media anual es 1760 mm. Según la clasificación climática de Köpen, el clima se clasifica como Am (monzónico). El mes más caliente del año es Marzo con una temperatura de 21.7 °C, mientras que el más frío es Diciembre con 20.4 °C. Por otra parte, el mes más seco es Enero con un promedio de 58 mm y el más húmedo es Octubre con un promedio de 221 mm (Climate Data, s.f). Además, La humedad relativa promedio es del 70%. (IDEAM, 2011)



Unidades Geomorfológicas

Unidades Geomorfológicas

Descripción de la forma de la superficie terrestre.

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Amenazas y Riesgos Naturales

Amenazas y Riesgos Naturales

Descripción de las pendientes y los aspectos de relieve

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Geología

Geología

Descripción de las características de las unidades litológicas, geología estructural y unidades superficiales.

Más información  
Hidrología

Hidrología

Descripción de los cuerpos de agua que afectan la zona.

Más información  
Uso del Suelo

Uso del Suelo

Descripción del uso del suelo.

Más información  


Como se mencionó anteriormente, se seleccionó este lugar para la toma de la muestra, ya que gran parte del terreno del lote sobre el cual se encuentra la casa, está compuesto por material de lleno y la idea era obtener una muestra de un lugar donde el suelo no hubiera sido alterado y cumpliera con las características propias que un material de esta zona debería tener. Además, se buscó evitar estar cerca a las grandes rocas que se encontraban en el terreno, pues esto dificultaría el proceso de extracción de la muestra, ya que probablemente se podrían encontrar más.


Se tomó una muestra inalterada del suelo el día 13 de Marzo de 2019 a las 3:30 p.m. En el lugar de estudio,  las dos semanas anteriores se habían venido presentando altos niveles de precipitación con lluvias de frecuencia diaria; sin embargo, en los dos meses anteriores se registraron altas temperaturas y poca pluvosidad. La temperatura en el momento era de 24 °C, el día había estado soleado y despejado, sin embargo, al momento de tomar la muestra se empezó a nublar el día.


Para extraer la muestra, se utilizaron medios manuales y herramientas convencionales como pala y barra. Se retiró toda la materia orgánica posible del suelo (horizonte O), la cual tenía un espesor aproximado de 20 cm. En esta se encontraron raíces de grama y de pequeñas malezas que se encontraban en los alrededores. También, se observaron varios animales como lombrices, arañas y escarabajos. La muestra total (sin el horizonte O) fue de 50 cm, en total se excavaron 70 cm. Solo se encontró un horizonte además del orgánico, no se vieron cambios en el color, pocas pierdas y de color oscuro. No se llegó al nivel freático ni presencia de agua.


Una vez se eliminó toda la materia orgánica y se encontró el horizonte A o la zona de eluviación, se limpiaron todos los residuos de materia orgánica como hojas secas o humus. A partir de este punto, se insertó un tubo mediante golpes, hasta obtener la profundidad deseada. Luego, con la ayuda de la barra, se extrajo el tubo que contenía el espécimen de suelo y se verificó que tuviera la profundidad necesaria y estuviera en buenas condiciones. Finalmente, se cubrió el tubo con plástico en ambos extremos, con el fin de que la muestra no perdiera humedad y poder determinar las propiedades del suelo en sus condiciones naturales.


Al día siguiente en el laboratorio se retiró la muestra del cilindro para empezar a realizar los ensayos correspondientes. A simple vista se veía que la contextura de la muestra era un poco pegajosa y que su densidad era muy baja con respecto a las demás, probablemente debido al alto contenido de ceniza volcánica. Al tocar el suelo, los materiales se adherían con facilidad a las manos o a cualquier otra superficie con la que entrara en contacto. Además, no tenía un olor característico o peculiar que la pudiera diferenciar de cualquier otro suelo. Visualmente al sacar la muestra del tubo, esta tendió a expandirse y parecía tener escamas, o como si se estuviera descascarando como un tronco o cascara de huevo.


A pesar de no contener materia orgánica, su color seguía siendo muy oscuro. No se evidenció presencia de gravas y estaba mayormente compuesta por arenas finas, limos y arcillas. Al secar la muestra, se pudo observar que la mayoría de partículas gruesas eran redondas y fracturadas, sin embargo había más presencia de finos que de gruesos.

Relaciones de fase

Relaciones de fase

Relaciones gravimétricas y volumétricas de la muestra seleccionada

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Tamaño de grano

Tamaño de grano

Análisis por tamizado e hidrómetro

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Gravedad Específica

Gravedad Específica

Relación entre la densidad del suelo y la densidad del agua

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Plasticidad

Plasticidad

Límites de Atterberg, actividad, índice de liquidez, índice de consistencia

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Clasificación del Suelo

Clasificación del Suelo

Clasificación según USCS y la AASHTO

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Ensayo de corte directo


En este ensayo se busca determinar experimentalmente la resistencia que tiene un suelo a resistir un esfuerzo cortante en aumento, mientras este se encuentra sometido a un esfuerzo normal.

Para llevar a cabo este ensayo, se procede inicialmente a extraer la muestra inalterada del tubo Shelby, la cual conservaba la misma humedad del suelo del cual se había extraído. Una vez extraída y analizada la muestra, se observó que era una muestra con una densidad bastante baja y que además tenía altos contenidos de ceniza volcánica, por lo que se decidió realizar el ensayo de corte directo.

Para empezar con el ensayo, se procedió a medir y a pesar los anillos en los cuales se iba a introducir la muestra. Una vez pesado y medido el anillo, se introdujo la muestra de modo que quedara al mismo nivel de la superficie del anillo, se pulía si era necesario con una espátula. Teniendo ya la muestra dentro del anillo, esta se introduce en el dispositivo de corte directo y se le aplica una carga normal conocida, donde esta debe de ser mayor a la fuerza que el terreno le aplica antes de tomar la muestra, luego de los cálculos se obtuvo que se comenzaría con una carga de 4.4 kg lo que equivale a un esfuerzo normal de 13.85 kPa. Luego se le aplicó una fuerza horizontal, la cual estaba dada por una velocidad constante de 2 mm/min e iba incrementando. Una vez iniciado el ensayo, se tomaron datos cada tiempo determinado, como se puede ver en las tablas mas abajo, se tomaron las medidas hasta que la muestra falló debido al esfuerzo cortante, lo cual se lograba concluir cuando la lectura del equipo no cambiaba. Y así se repitió otras dos veces, pero incrementando la carga inicial de 4.4 kg a 8.4 kg y a 16.4 kg.

Dimensiones AnilloVelocidad máquina (Constante)
Diámetro [cm]6,36 2 mm/min
Altura [cm]2,51Coeficiente de Corrección0,136
Área [cm2]31,77







Este ensayo se repitió 3 veces usando diferentes cargas verticales pero siempre la misma velocidad horizontal. Los resultados obtenidos fueron los siguientes.


Muestra 1:

Carga: 4.4 kg
Esfuerzo: 13.85 kPa

Desplazamiento [mm]1020304050100150200250300350400450500550600
Lectura Equipo891012132128343942444545454545
Corrección Carga [kg]1,091,221,361,631,772,863,814,625,305,715,986,126,126,126,126,12
Esfuerzo Cortante (τ) [kPa]3,423,854,285,145,578,9911,9914,5616,7017,9818,8419,2619,2619,2619,2619,26







Muestra 2:

Carga: 8.4 kg
Esfuerzo: 26.44 kPa

Desplazamiento [mm]1020304050100150200250300350400
Lectura Equipo56661433455462656868
Corrección Carga [kg]0,680,820,820,821,904,496,127,348,438,849,259,25
Esfuerzo Cortante (τ) [kPa]2,142,572,572,575,9914,1319,2623,1226,5427,8329,1129,11




Muestra 3:


Carga: 16.4 kg
Esfuerzo: 51.62 kPa

Desplazamiento [mm]1020304050100150200250300350400450500550600
Lectura Equipo14171722264060748289949596969696
Corrección Carga [kg]1,902,312,312,993,545,448,1610,0611,1512,1012,7812,9213,0613,0613,0613,06
Esfuerzo Cortante (τ) [kPa]5,997,287,289,4211,1317,1225,6931,6835,1038,1040,2440,6741,1041,1041,1041,10






Según los resultados se puede concluir que cada vez que se incrementa el esfuerzo normal, se va incrementando el esfuerzo máximo de corte, esto podría verse que a mayor fuerza de compresión, el material va a permanecer junto por mayor tiempo y resistir cortantes mayores ya que sus partículas se comprimen más a mayor esfuerzo normal, lo que hace que el suelo se vuelva más resistente al cortante.
Es necesario mencionar que los estados de esfuerzos que se presentan anteriormente, siguen la convención de la teoría clásica de mecánica de materiales. Lo anterior, se hace por cuestiones de facilidad. Sin embargo, es claro que dada la convención de signos que se utiliza en geotecnia (compresión es positivo) las flechas que salen del cuadrado significa que están en compresión y el cortante que forma par en el plano superior hacia la derecha es positivo.


Tras graficar las tres coordenadas de falla (σ,τ) con los valores máximos del esfuerzo cortante, y su respectivo esfuerzo normal, se obtiene la ecuación de la envolvente de Mohr Coulomb y los valores de la cohesión (C) y el ángulo de fricción (Φ):



τ = 0.5634(σ) + 18.791
c= 18.791
Φ= 29.397°




La resistencia al corte de un suelo es la fuerza por unidad de área que este puede ofrecer para resistir la falla o el deslizamiento sobre cualquier plano que este contenga. A continuación se presentarán casos supuestos donde se pueda aplicar la resistencia al corte y los aspectos deformacionales del suelo.

Estabilidad de un talud

Con base en los resultados obtenidos para la cohesión y el ángulo de fricción por la envolvente de Mohr-Coulomb, se puede determinar la altura crítica que llegaría a necesitar un talud, siguiendo la siguiente ecuación:



Como ya se conocen todos los valores de la ecuación, excepto el ángulo beta que corresponde a la inclinación del talud, se grafican los resultados para determinar la altura crítica





Asentamiento

El asentamiento en un suelo es la reducción gradual de volumen del suelo por compresión debido a la aplicación de cargas estáticas, también puede darse por pérdida de aire o agua. Como la relación de vacíos que presenta el suelo es muy alta se podría pensar que el suelo se puede deformar mucho ante la acción de una carga, pues habrían muchos espacios vacíos que constantemente se estarían reduciendo. Esto no solo hace que el tiempo de consolidación sea alto, sino que también el asentamiento lo será. Sin embargo, para determinar todos estos valores y saber qué tanto se deformaría el suelo y en cuanto tiempo lo haría, se necesita hacer el ensayo correspondiente en el edómetro o consolidómetro.


 POT

Plan de ordenamiento territorial del municipio de Envigado, 2011

 Instituto Geográfico Agustín Codazzi

Planchas correspondientes al sector #147

 Servicio Geológico Colombiano

Fallas geológicas

 Principles of Geotechnical Engineering

Braja M. Das - 6ta Edición

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