Estudio experimental, geoestadístico y numérico sobre los procesos de fracturamiento superficial

Abstract

En este trabajo se investigó uno de los parámetros del suelo, relevante en el proceso de formación de fracturas por tensión: la resistencia a la tensión del suelo. Para llevar a cabo esto se construyó un nuevo aparato de tensión directa, en el cual se hicieron pruebas en muestras alteradas e inalteradas de suelo arenoso obtenidas dentro del Valle de Aguascalientes, lugar en el que se presentan problemas de fracturamientos superficiales originados principalmente por subsidencia. También se desarrolló y utilizó un modelo numérico estadístico, mismo que analiza la relación entre la variación de los esfuerzos efectivos y las fracturas existentes en un área que comprende parte de la zona urbana de los municipios de Aguascalientes y Jesús María. Se hizo una caracterización de los suelos arenosos obtenidos para la medición de la resistencia a la tensión, obteniendo características granulométricas, densidad y relación de vacíos. Luego se evaluaron las resistencias a la tensión de los suelos mediante pruebas de tensión directa con carga controlada. Para las muestras inalteradas se realizó un proceso de labrado del suelo, y para las muestras alteradas se utilizó un molde en el cual se moldeó el suelo. En el caso de las muestras alteradas, éstas fueron compactadas de tal modo que se obtuviera una densidad seca lo más similar posible al estado inalterado del suelo, con el fin de hacer un análisis comparativo entre muestras inalteradas y alteradas. Los resultados se compararon con un contenido de agua similar al de las muestras inalteradas al momento de ser sometidas a tensión, donde para el caso de muestras de suelo alterado, el proceso para obtener el contenido de agua requerido fue diferente: a) para un grupo de pruebas, el suelo se compactó con el contenido de agua similar al del suelo inalterado, b) en otro grupo de muestras, el suelo se compactó totalmente saturado, y se dejó secar hasta llegar al contenido de agua requerido. De los resultados obtenidos, se observa una mayor resistencia a la tensión en muestras de suelo inalterado, mientras que la resistencia a la tensión en muestras alteradas, en el caso de las muestras sometidas a un proceso de secado, estas se aproximaron más a los resultados obtenidos en muestras inalteradas. Para el estudio de la relación entre la variación de los esfuerzos efectivos sobre un plano horizontal debajo del nivel del agua subterránea y la formación de fracturas, se realizó un 8 modelo de regresión lineal múltiple para determinar si las fracturas existentes en el área de estudio están relacionadas con los esfuerzos efectivos diferenciales. De los esfuerzos efectivos diferenciales respecto a las fracturas del área se obtuvieron los promedios de las pendientes obtenidas de los esfuerzos efectivos diferenciales entre la distancia respecto a la fractura, con los cuales se realizó un análisis para localizar zonas de peligro por fracturamiento. Las zonas localizadas están formadas por líneas, estas líneas representan las direcciones en que las pendientes de esfuerzos efectivos diferenciales son mayores o iguales a las condiciones de las pendientes de esfuerzos efectivos diferenciales obtenidas de las fracturas, dichas líneas nos indican la posibilidad de encontrar una fractura en dirección perpendicular a éstas.

In this work we investigated one of the parameters of the soil, relevant in the process of fracture formation by tension: the resistance to the tension of the soil. In order to study this parameter, a new direct tension apparatus was designed. Disturbed and undisturbed samples of sandy soil obtained inside the Valley of Aguascalientes (where surface fracturing problems are originated mainly by subsidence) were tested. A statistical model was developed and used for analyzing the relationship between the variation of the effective stress and the fractures in an area that includes part of the urban area of the municipalities of Aguascalientes and Jesús María. A characterization of the sandy soils obtained for the measurement of the tensile strength was obtained, as well as characteristics of the soil such as grain size, density and void ratio. The tensile strengths of the soils were then evaluated by direct tension tests. For undisturbed soil preparation, the samples were carved, and for the disturbed samples a mold was used in which the soil was compacted. In the case of the disturbed samples, they were compacted at similar dry density to the undisturbed state of the soil, in order to make a comparative analysis of tensile strength between undisturbed and disturbed soil samples. The results were compared at similar water content to the undisturbed samples at the time of test, for disturbed soil samples, the process to obtain the required water content was different: a) for a group of tests, the soil was compacted with the water content similar to that of the undisturbed soil, b) in another group of tests, the soil was compacted totally saturated, and then allowing them to dry until the required water content was reached. From the results obtained, a higher tensile strength was observed in unaltered soil samples, while the tensile strength in altered samples, in the case of the samples subjected to a drying process, were more closely related to the results obtained in unaltered samples. For the study of the relationship between the variation of the effective stresses over a horizontal plane under groundwater level and the formation of fractures, a multiple linear regression analysis was performed to determinate if the fractures from a study area are related with differential effective stresses. From the differential effective stresses respect to the fractures in the area, the mean slopes were obtained, with these mean values, an 10 analysis was performed to locate danger zones by fissuring. The zones were represented by lines that represent the directions in which the slopes of differential effective stresses are greater or equal than the conditions of the slopes of effective differential stresses obtained from the fractures, these lines instead, indicate the likelihood of finding a fissure in perpendicular direction to them.