Mecanismos de colapso en cavidades subterráneas

Mónica Fernanda Bedoya Martínez, Félix Hernández Rodríguez

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Shallow Foundations

ABSTRACT: This investigation deals with the collapse mechanisms of a cavern formed by dissolution, in a dispersive soil. It is centered in the study of the soils located at the South-Eastern side of Bogotá City. Firstly, the dispersion potential of the soils found in this site were evaluated. Several tests were performed in order to define the physical, chemical and mineralogical properties of those materials. It has been found that these soils present medium and high dispersion potential. Regarding strength, it strongly depends on the water content of the soil. In natural conditions the water content of the soils is of the order of 4% and exhibit high strengths and fragile behavior, but strength decreases dramatically with water content and ductility increases. An increase of 4%-6% in water content produces a decrease of about 80% of the strength. For this reason principally, only undrained strength parameters were evaluated in the thesis. Secondly, advance velocity of the moisture front line in the soil was predicted using the results of falling head permeability tests and the variability with time in water content measured in specimens exposed to a controlled environment with a relative humidity of 75%. Based on the supposition that the roof of the cavity collapses due to progressive wetting of soil and the resulting reduction in strength, an approximated model is proposed to estimate the required time for collapse of the roof. In the model, the roof of the cavity is supposed to behave as a beam with fixed supports at both ends. As a consequence of the wetting process, the soil exposed in the base of the beam begins to weak and fail depending on the strength - water content relationship and the advance velocity of the wet front line. In this way, at some elapsed time, the high of the beam reaches a limit in which the bending moment caused by it´s own weight reaches the yielding moment and the roof fails. 1 INTRODUCCIÓN El presente documento compendia los resultados obtenidos en la investigación en torno a los suelos dispersivos y el colapso de cavidades originadas por la disolución de estos suelos. Este tipo de materiales se identificó durante las visitas de inspección realizadas a las obras de Canalización de la Quebrada Santa Librada, donde se evidenciaron daños en las estructuras de la alameda por efecto de la disolución de los suelos de soporte. La Quebrada Santa Librada se encuentra ubicada en el Sur Oriente de la Ciudad de Bogotá, en la Localidad de Usme, en una zona donde se emplazan una serie de obras de gran importancia para la infraestructura del transporte masivo de la Ciudad, como son la Troncal Caracas Sur y el Portal y Patio del Sistema fiTransmileniofl en Usme, además de ser una zona densamente poblada. Este tipo de suelos susceptibles de erosión por disolución es el que se conoce como suelo dispersivo. La dispersión en los suelos está asociada a la mineralogía, capacidad de intercambio catiónico y porcentaje de sodio intercambiable del suelo y se presenta cuando el agua se infiltra a través del suelo. El objetivo general de esta investigación consistió en diseñar un procedimiento semi-empírico que permita

RESUMEN: Esta investigación analiza el mecanismo de colapso de una caverna formada por disolución en un suelo dispersivo. Esta investigación se centró en el estudio del potencial de dispersión de los suelos arcillosos encontrados al sur de la Ciudad de Bogotá. Para tal efecto, se realizaron varios ensayos para definir las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de esos materiales. Se pudo establecer que estos suelos tienen un potencial de dispersión que varía entre medio y alto. En cuanto a la resistencia, se encontró una fuerte dependencia de la humedad. En condiciones naturales, la humedad es del orden del 4%, y el suelo tiene una alta resistencia y un comportamiento frágil; no obstante, la resistencia decrece dramáticamente con la humedad y se incrementa la ductilidad del suelo. La resistencia disminuyó hasta en un 80% al incrementarse la humedad de un 4 a 6%. Esta es la razón por la cual solo se evaluaron los parámetros de resistencia no drenados. En segunda medida, se predijo la velocidad de avance del frente húmedo utilizando los resultados de los ensayos de cabeza variable y la variabilidad con el tiempo de la humedad en muestras de suelo expuestas a un ambiente controlado con una humedad relativa del 75%. Con base en la hipótesis de que el techo de la cavidad falla debido al humedecimiento progresivo del suelo, y a la consecuente reducción de la resistencia, se propone un modelo aproximado para estimar el tiempo requerido para el colapso del techo. En el modelo, se supone que el techo de la cavidad se comporta como una viga empotrada en sus extremos y cargada con su propio peso. Como consecuencia del proceso de humedecimiento, la base de la viga empieza a ablandarse y a fallar dependiendo de la relación resistencia - humedad y de la velocidad de avance del frente húmedo. De esta manera, en algún momento, la altura de la viga ha disminuido tanto que el momento flector causado por su propio peso igual el momento de fluencia y el techo falla.

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