Influencia del contenido de materia orgánica en la resistencia al corte residual de la arcilla de Bogotá

Abstract

Se realizó un estudio experimental de la resistencia al corte residual de las arcillas de Bogotá con alto contenido de materia orgánica (CMO). Para lo anterior, se desarrolló un equipo de corte anular, diseñado para evaluar la resistencia al corte de las arcillas a grandes desplazamientos. Las muestras analizadas fueron extraídas del campus de la Universidad Nacional de Colombia y caracterizadas física, química y mineralógicamente con el objetivo de evaluar su comportamiento mecánico. Los resultados obtenidos mostraron que el alto CMO de las muestras analizadas aumentó el contenido de agua natural y los límites de consistencia mientras que disminuyó la gravedad especifica debido a su estructura porosa y su baja densidad. El CMO no influye directamente el ángulo de resistencia pico (𝜙), manteniéndose aproximadamente constante; mientras que la cohesión aparente (𝑐′) tiende a disminuir a medida que aumenta el CMO. Respecto a la resistencia residual se identificó una disminución significativa con el incremento del CMO. El coeficiente de resistencia residual (𝜏𝑟/𝜎′) disminuyó hasta un 40% y en ángulo de resistencia residual (𝜙 ) disminuyó un 20% con un aumento de 38% del CMO. La materia orgánica no fibrosa reduce la fricción interna entre las partículas de arcilla, disminuyendo los puntos de contacto y, por ende, la resistencia al deslizamiento de las partículas de suelo. Adicionalmente, comparando los parámetros de resistencia al corte residual con resultados obtenidos en estudios previos, se identificó que la arcilla con alto CMO no sigue las tendencias de comportamiento observadas en otros suelos arcillosos. A diferencia de los suelos convencionales, en las arcillas de Bogotá con alto CMO, un mayor contenido de fracción de arcilla se asocia con una mayor resistencia al corte residual. Esta singularidad implica que las correlaciones propuestas en otros contextos no son aplicables, identificando la necesidad de estudios locales específicos. Finalmente, la aplicación y calibración de un modelo constitutivo de daño permitió predecir eficazmente el comportamiento de las arcillas de Bogotá bajo grandes desplazamientos de corte. Suelos con alto CMO presentan una rigidez cortante y desplazamientos de cedencia significativamente menores comparados con suelos con bajo CMO, lo que resulta en una rápida degradación de la resistencia al corte y una transición rápida hacia el estado residual. Lo anterior tiene implicaciones en el diseño, análisis y construcción de proyectos geotécnicos en suelos con altos CMO, puesto que una menor resistencia residual puede comprometer la estabilidad y seguridad de estas obras. (Texto tomado de la fuente).

An experimental study was conducted to investigate the residual shear strength of Bogotá clay with high organic matter content (OMC). To achieve this, a ring shear apparatus was developed, specifically designed to evaluate the shear strength of clays following large displacements. The samples analysed were extracted, from the campus of the Universidad Nacional de Colombia, and characterized physically, chemically, and mineralogically previously to assess their mechanical behaviour. The results indicated that the high OMC of the samples increased their natural water content and Atterberg Limits while decreasing their specific gravity due to their porous structure and low density. The OMC does not affect the peak shear strength angle (𝜙), which remained approximately constant; however, the apparent cohesion (𝑐′) tended to decrease with increasing OMC. Regarding the residual shear strength, a significant reduction was observed with higher OMC. The residual shear strength coefficient (𝜏𝑟/𝜎′) decreased by 40%, and the residual shear strength angle (𝜙) decreased by 20% with a 38% increase in OMC. Non-fibrous organic matter reduces internal friction between clay particles by decreasing contact points, thereby reducing the resistance to sliding of soil particles. Furthermore, when comparing the residual shear strength parameters with results from previous studies, it was found that clays with high OMC do not follow the behavioural trends observed in other clayey soils. Unlike conventional soils, in Bogotá clay with high OMC, a higher clay fraction is associated with greater residual shear strength. This anomaly implies that correlations proposed in other contexts are not applicable, spotlighting the need for specific local studies. Finally, the application and calibration of a damage constitutive model effectively predicted the behaviour of Bogotá clays under large shear displacements. Soils with high OCM exhibit significantly lower shear stiffness and lower yield displacements compared to soils with low OCM, leading to rapid degradation of the shear strength and a quick transition to the residual state. This has implications for the design, analysis, and construction of geotechnical projects in soils with high OCM, as lower residual strength can compromise the stability and safety of these structures.