Clasificación de suelos y rocas mediante ensayos de expansión cilíndrica a alta presión

J.P. BAUD - Eurogéo, Avrainville, Francia
M. GAMBIN – Apageo, Magny-les-Hameaux, Francia

Resumen

Las propiedades físicas y mecánicas que se utilizan para caracterizar los suelos y las rocas varían en función de los enfoques y los objetivos, ya sean de la geotecnia, la geología de ingeniería o la mecánica de rocas. Los autores sugieren que las mediciones realizadas durante la expansión de la cavidad cilíndrica de una perforación, y que pueden reducirse a dos parámetros fundamentales —un módulo presiométrico y una presión límite—, se utilicen para una clasificación que pase sin discontinuidad de los suelos a las rocas, basada en el diagrama Pressiorama® desarrollado para los suelos hace algunos años.

Introducción: ¿Es útil la frontera entre suelos y rocas?

Establecer una frontera entre los suelos y las rocas es un proceso que parece natural para cualquier persona, desde el agricultor neolítico hasta el constructor del siglo XXI, y que, sin embargo, sigue siendo un proceso, si no subjetivo, al menos contingente, que depende de la percepción del uso del material natural sobre el que se desarrolla y con el que se mide. Para el geólogo, desde el surgimiento de esta disciplina, todos los componentes de la corteza terrestre son rocas, desde el agua hasta la materia de los zócalos continentales, independientemente, por tanto, de su estado, ya sea sólido, líquido o incluso gaseoso. Todas estas rocas tienen historias y destinos particulares, más o menos esenciales para un desarrollo mundial más o menos sostenible, como es el caso del petróleo, el «aceite de piedra». Para cualquier constructor, esta clasificación global resulta incongruente, y la roca se distingue por su carácter sólido de los suelos, que son todos aquellos terrenos que no son rocas y se caracterizan por su falta de solidez, más o menos marcada: alterables, apisonables, friables, compresibles, blandos hasta el límite de la liquidez. Históricamente, la definición de Terzaghi [1], con su doble formación como geólogo e ingeniero, establece el límite mecánico entre suelos y rocas: «El suelo es un agregado natural de granos minerales que pueden separarse mediante ligeras acciones mecánicas, como la agitación en agua. La roca, por el contrario, es un agregado natural de granos minerales unidos por fuerzas de cohesión fuertes y permanentes. Dado que los términos «fuerte» y «permanente» están sujetos a diversas interpretaciones, la distinción entre suelo y roca es necesariamente arbitraria. De hecho, hay muchos agregados naturales de granos minerales que son difíciles de clasificar, ya sea como suelos o como rocas » [1]. Figura 1. Ciclo de la materia mineral (y orgánica) de las rocas a los suelos. Uno de los objetivos del coloquio de Atenas 2011 es centrarse en los terrenos cuyo ámbito de actuación reclaman tanto la mecánica de suelos como la mecánica de rocas. Y aunque los especialistas de ambas disciplinas suelen mantener relaciones cordiales y fructíferas, y desarrollan su experiencia en el marco de leyes físicas universales, la reivindicación llega a veces hasta el punto de cuestionar la pertinencia del enfoque del otro: «Una fuerte cohesión y una fisuración desarrollada, dos criterios a menudo citados para las rocas, siguen siendo insuficientes. La separación entre suelos y rocas depende en gran medida de la escuela de pensamiento y del ámbito de experiencia del ingeniero; los congresos que han intentado agrupar los suelos duros y las rocas blandas no han hecho más que aumentar la confusión. Correspondería a la geología facilitar una aclaración. » [2]. El esquema siguiente (Figura 1) se basa, por tanto, en la distinción que hace la geología clásica, anterior a la tectónica de placas, entre los factores de formación de las rocas de la corteza terrestre, o geodinámica interna, y los factores de degradación de las rocas y recomposición de las rocas sedimentarias, o geodinámica externa.

Esto es, en una primera aproximación, lo que marca la frontera entre los campos de la mecánica de las rocas y la mecánica de los suelos. El ciclo geológicamente muy largo de una partícula mineral, por ejemplo, un grano de sílice magmático en el interior de un granito, que se convierte en un grano de arena de playa antes de volver a la base de la corteza terrestre, la lleva a formar parte de rocas y suelos de resistencias mecánicas extremas, simbolizadas al margen del esquema por el módulo de cizallamiento de estas formaciones. La característica genética esencial de las rocas es el enlace cada vez más fuerte entre los granos que las componen, mediante cementación durante la diagénesis de las rocas sedimentarias, o cristalización o recristalización de las rocas metamórficas y magmáticas. Su evolución en la superficie del globo consiste en la destrucción de estas estructuras fuertes, progresiva hasta la yuxtaposición de granos sin enlaces. Si se quiere comparar las características mecánicas de un suelo muy compacto y de una roca bastante alterada, aunque parezcan casi idénticas, hay que hacerlo teniendo en cuenta que se encuentran en los extremos opuestos de este ciclo.

Caracterización de suelos y rocas mediante parámetros presiométricos clásicos

La ley de comportamiento de cualquier material sometido a la expansión de una cavidad cilíndrica puede reducirse esencialmente a una regla hiperbólica bastante sencilla [4]. En los suelos, los dos parámetros fundamentales EM y p*LM (módulo presiométrico y presión límite) que se deducen de ello permiten una clasificación de los suelos, debido a la estrecha relación entre la relación EM/p*LM y el tipo de comportamiento de los suelos, entre los polos extremos arenoso y arcilloso, en función de la proporción y la granulometría de los componentes de los suelos. Esta clasificación se ilustra, por ejemplo, en el diagrama Pressiorama® [5], y está totalmente relacionada con el coeficiente de estructura definido por Ménard como la relación EM/E, donde E sería un «módulo de Young» aceptable [6] [7]. El futuro de esta clasificación, y la pertinencia del coeficiente de estructura de los suelos, es una cuestión que se plantea cuando el ensayo presiométrico se aplica a «suelos» cada vez más rígidos, que pueden ser, bien terrenos sedimentarios en un estado de consolidación geostática elevada, bien rocas en un estado de alteración y descompresión más o menos avanzado, o rocas menos alteradas, fracturadas o poco fracturadas y, por último, a rocas masivas.

El comportamiento presiómetro de los suelos compactos, las rocas blandas y las rocas macizas

La ley de comportamiento hiperbólico de los suelos sometidos a un ensayo de carga radial corresponde a la medida global de la deformación de la pared bajo la tensión de cizallamiento que sufre el suelo. La reorganización de los granos durante la deformación y la generalización de la rotura a una zona del suelo es un fenómeno cuyo principio está bien establecido y es comprensible [6] [7], aunque los detalles de su aparición y sus modalidades según los suelos seguirán siendo objeto de investigaciones geomecánicas durante mucho tiempo. Durante la transición progresiva hacia suelos cada vez más endurecidos, rocas alteradas y rocas fracturadas, el comportamiento de expansión radial de los terrenos no cambia bruscamente de naturaleza, pero la escala de las tensiones asociadas varía progresivamente en una o dos órdenes de magnitud con respecto a los suelos «soltos», y la limitación de los ensayos a 5 MPa debido al material disponible ya solo permite acceder a la fase inicial de las deformaciones. El ensayo solo incluye entonces la medición de un módulo en este rango limitado de tensiones, sin conocer la presión límite de la evolución del módulo bajo tensiones más elevadas. Con el desarrollo de equipos de presiometría que permiten alcanzar presiones de ensayo de 25 MPa [8], se puede empezar a vislumbrar si el modo de rotura de los materiales situados en el rango de presiones común entre suelos y rocas sigue siendo comparable al de los suelos.

Modo de cizallamiento y rotura de suelos compactados y rocas

El aumento de la relación EM/p*LM con p*LM es una observación habitual. En la curva presiométrica, esto se traduce en un aumento del radio de curvatura de las trazas y en una tendencia a que el coeficiente de estructura de los suelos muy compactados se acerque a 1; en otras palabras, en rocas masivas no fracturadas, se suele considerar que el ensayo de expansión mide directamente un módulo de Young: - la cementación entre sus componentes minerales limita la reordenación de estos minerales bajo fuertes tensiones de cizallamiento; - la densidad, la continuidad, la apertura y el estado de la superficie de las fracturas, así como el relleno de estas, influyen en la deformación de la pared de un sondeo en expansión radial.

Comportamiento presiómetro de las rocas alteradas o fracturadas

La fracturación de las rocas se manifiesta en la curva presiométrica de forma muy clara, mediante la presencia de una fase muy prolongada de disminución de la pendiente de la curva a medida que aumenta la presión, lo que corresponde al cierre progresivo de las fisuras cercanas a la perforación, para luego pasar a tener en cuenta en el ensayo fisuras cada vez más alejadas de la perforación. Independientemente de la presión final alcanzada, entre 5 y 25 MPa, se observan, al igual que en los ensayos presiométricos estándar, tres tipos de curvas de ensayo en el momento de su interrupción: las que aún se encuentran en fase de cierre de fisuras y de disminución de la pendiente DV/DP, aquellas en las que se ha superado un punto de inflexión con un aumento de DV/DP sin fluencia, y, por último, aquellas en las que aparece, al final del ensayo, un inicio de fluencia y deformaciones mayores.

Estos tres tipos de curvas permiten una clasificación básica:

• rocas macizas más o menos fracturadas;
• rocas fracturadas y alteradas, pero cuya matriz rocosa sigue siendo poco compresible;
• rocas alteradas y descompuestas que adoptan un comportamiento similar al del suelo.

¿El paso de suelo compacto a roca blanda y de roca alterada a suelo es gradual o brusco?

Uso del diagrama espectral [EM/p*LM, p*LM] para visualizar la transición entre suelos y rocas 

Proponemos, a modo de marco de reflexión, la ampliación al ámbito de las presiones de ensayo superiores a 10 MPa del diagrama espectral [EM/p*LM, p*LM] o Pressiorama®, que solemos utilizar en las campañas de reconocimiento con presiómetro [5], por un lado para detectar anomalías en la realización de los ensayos o en el propio suelo, y, sobre todo, para clasificar los terrenos encontrados. Los casos reales de suelos muy endurecidos y rocas alteradas que podemos situar en esta extensión del diagrama al ámbito rocoso son bastante numerosos, hasta presiones límite extrapoladas hacia los 15-18 MPa. Más allá de eso, los primeros ensayos Hyperpac [8] nos proporcionan puntos a 25 MPa y permiten considerar posibles extrapolaciones de presiones límite hasta unos 30-40 MPa, siempre y cuando se mantenga validada la correlación pF-pLM de los suelos. Más allá aún, los ensayos con dilatómetro reinterpretados según el método presiómetro pueden dar módulos EM superiores a 105 MPa, pero en este tipo de ensayo estamos muy lejos de la estimación de la presión límite [9].

Rotura frágil o dúctil en ensayos de expansión in situ

Los ejemplos anteriores muestran que, cuando se puede llevar el ensayo de tipo presiométrico a una presión suficientemente alta, los terrenos escarpados o rocosos lo suficientemente blandos presentan un comportamiento bastante similar al de los suelos, con una fase de fluencia y grandes deformaciones. La diferencia notable es la tendencia al aumento de la relación EM/p*LM con la presión límite, que supera rápidamente los valores habituales de los suelos sueltos, hasta alcanzar 50 o 100, e incluso 200. Las curvas presiométricas correspondientes a valores tan elevados de EM/p*LM presentan un «pliegue» cada vez más marcado entre las dos fases, antes y después de la aparición de la fluencia.

A medida que avanzan las investigaciones sobre las rocas macizas, parece desprenderse que el comportamiento del material se aproxima al tipo «frágil», en el que la rotura se produciría prácticamente sin previo aviso al final de un intervalo cuasi-elástico. Esta intuición es generalmente compartida, por ejemplo, por el temor expresado ante los ensayos a 25 MPa en el hormigón (caso de pilotes o columnas), y el propio Ménard contemplaba «hacer estallar» la roca [10]. Por el momento, incluso en los ensayos realizados a 25 MPa, no se ha observado este tipo de comportamiento, y todos los materiales ensayados presentan una fluencia progresiva que anuncia el inicio de una fase de rotura. A presiones superiores, la rotura de la roca por expansión en perforación puede obtenerse, de forma industrial, mediante procesos de inyección de espuma expansiva a presión (como el proceso DMX de Colas-Rail). En este tipo de arranque de zonas rocosas cercanas a la superficie de un frente de excavación, con una aplicación rápida de presión de entre 50 y 60 MPa, se pueden observar dos modos distintos de rotura de la roca: el más frecuente es la descomposición inmediata en bloques poliédricos cortados por la apertura de fracturas cerradas preexistentes; más raramente, en rocas menos fisuradas, la expansión provoca un desplazamiento de la pared durante unos segundos, antes de que la masa rocosa se desmorone en elementos cuyas caras no son todas planas y parecen corresponder a la apertura de juntas intergranulares (Delaporte, comunicación oral, [11]). El estado de los conocimientos sobre la rotura bajo tensión triaxial de muestras de rocas no fracturadas, y sobre la resistencia al deslizamiento de las juntas rocosas, es resumido por Parriaux [12] y detallado en una abundante bibliografía por Al Bied [13]. La rotura de la matriz se produce por la aparición de bandas de cizallamiento en las zonas de concentración de tensiones. Durante un ensayo de expansión a muy alta presión, el confinamiento proporcionado por la masa rocosa circundante debería conducir, por tanto, a una rotura que combine tanto el deslizamiento a lo largo de las juntas preexistentes como la formación, cerca de la pared, de bandas de cizallamiento, lo que permite mantener en las rocas el concepto de presión de fluencia presiométrica.

Conclusión provisional y perspectivas futuras

El reciente desarrollo de equipos de ensayo de expansión en perforación a 25 MPa aún debe dar lugar a mediciones en diversas condiciones de terreno, para que la experiencia adquirida respalde las hipótesis aquí planteadas sobre la rotura de las rocas por cizallamiento. Tenemos previsto aumentar las presiones de ensayo hasta unos 50 MPa en un futuro próximo. El diagrama de clasificación continua de suelos y rocas mediante valores presiómetros nos sirve de marco para estos trabajos, así como el desarrollo paralelo de líneas de isovalores del coeficiente reológico compatibles con la práctica de los métodos presiómetros de Ménard [7].