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1954-1958
Diseño: Arquitecto Carlos Raúl
Villanueva, con elementos
novedosos de adaptación
climática.
Policromía de la obra: Artista
Zuliano Victor Valera.
VOLUMEN ESPECIAL 2019 No.1
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, 239-246
Study of increment of shear strength in poorly graded sands
caused by vetiver plants
Jesús Torres1,2 , Roberto Torres1,2 , Norly Belandria2, Wilmer Barreto1,3 , Ricardo
Picón1,3 , Mariam Peña2, Juan Guarache2, Luiggi Mendez2
1Departamento de Obras Civiles y Geología, Facultad de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco, Temuco
4780000, Chile
2Grupo de Investigaciones en Geología Aplicada, Departamento de Geomecánica, Facultad de Ingeniería,
Universidad de los Andes, Mérida 5101, Venezuela.
3Laboratorio de Mecánica Estructural, Departamento de Ingeniería Estructural, Universidad Centroccidental
“Lisandro Alvarado”, Barquisimeto 3001, Venezuela.
*Autor contacto: jtorres@uct.cl
https://doi.org/10.22209/rt.ve2019a14
Recepción: 20/06/2019 | Aceptación: 03/11/2019 | Publicación: 01/12/2019
Abstract
Lately, the use of the vetiver system in bioengineering has been evidenced, it is use to stabilize slopes and control
erosion. Despite the qualities of the root system of vetiver grass, there is still empiricism in the design and implementation,
because its mechanical contribution is not perfectly understood. Therefore, it is proposed to determine the increase in
resistance to shear stress in poorly graded sands derived from the planting of vetiver grass. The methodology involves
that minimize the alteration of the sample; from the fourth week, the control and vetiver-soil samples are tested. The results
indicate that mechanical parameters increase as root density increases, soil cohesion increases from 460% to 780% and the
friction angle, from 4,78% to 12,25%
Keywords: Vetiveria zizanioides; laboratory direct shear test; mohr-coulomb criterion; root area ratio.
Estudio de la variación en la resistencia al esfuerzo cortante
en arenas mal gradadas producto de la plantación de
vetiver.
Resumen
Últimamente se ha incrementado el uso del sistema vetiver como herramienta de bioingeniería, para estabilizar
taludes y controlar la erosión, aunque persiste una carga de empirismo en el diseño e implementación de las soluciones, ya
que su aporte mecánico no es perfectamente comprendido a las bondades del sistema radicular del pasto vetiver. Por esto, se
plantea determinar el incremento de la resistencia al esfuerzo cortante en arenas mal gradadas derivado de la plantación de
esta gramínea. La metodología implica realizar ensayos de corte en el laboratorio, para ello en primera instancia se realiza
una siembra controlada en recipientes que minimizan la alteración de la muestra; a partir de la cuarta semana se ensayan
las muestras control y suelo-vetiver, a diferentes estadios de tiempo. Los resultados indican que los parámetros mecánicos
aumentan a medida que varía la densidad de raíces, la cohesión del suelo incrementa desde 460% hasta 780% y, el ángulo
de fricción desde 4,78% to 12,25%.
Palabras claves: Vetiveria zizanioides; ensayo de corte directo en laboratorio; criterio de rotura Mohr-Coulomb; relación
de área de raíz
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
240 Torres y col.
Introducción
En los últimos años, la necesidad de encontrar
soluciones sustentables a los problemas de control
de erosión e inestabilidades en taludes de suelo, ha
generado un desarrollo interesante en técnicas de
bioingeniería. Dentro de estos enfoques no tradicionales,
destaca el uso del Pasto Vetiver (Vetiveria zizanioides
(L.) Nash, o Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty) por las
características de su sistema radicular.
El vetiver es una gramínea nativa de países
asiáticos y se caracteriza por tener un sistema radicular
resistente, que alcanza grandes profundidades [1, 2, 3, 4,
5, 6].
Las características de estas raíces han permitido
que se proponga como una alternativa de estabilización
para inestabilidades poco profundas [7, 8, 9, 10, 11, 12].
Sin embargo, aún persiste una cierta carga de empirismo
en los diseños de estabilidad, por ello se ha tratado de
le incorporan al suelo. Destacan los estudios de Wu et al
[13], Waldron [14] quienes consideraron que variaciones
en la resistencia del suelo son producto de la resistencia
a la tracción, una relación de área de raíces (RAR, por su
acrónimo en inglés Root Area Ratio [15]) y un factor de
distorsión geométrica. Este modelo ha sido revisado por
Bischetti et al [16]; Mickovski y van Beek [17]; De Baets
et al [18]; Gray y Baker [19], tras lo cual actualmente, se
proponen tres respuestas diferentes durante el corte
de un suelo reforzado con raíces, denominados rotura,
estiramiento “stretching” o deslizamiento [19].
Son múltiples los estudios que han evaluado el
incremento en la resistencia en los suelos por efecto de
la vegetación [4, 20, 21, 12, 13, 14, 17, 18, 22], variando
el ensayo utilizado, tamaño de la muestra y especies
plantadas. En general, se asocia esta variación de
resistencia a incrementos en la cohesión del material [10,
23, 24], estando este directamente relacionado al RAR [17,
23].
En base a lo anterior, se plantea determinar el
incremento de la resistencia al esfuerzo cortante de una
arena limpia, producto de la plantación de pasto vetiver,
para establecer si efectivamente la variación está asociada
a la cohesión del material y si existe correlación con la
cantidad de raíces presentes. Este análisis se hace bajo
condiciones controladas de laboratorio para prevenir
efectos indeseados propios de la variabilidad de suelos en
estado natural.
Materiales y Métodos
En función del objetivo de la investigación,
resulta fundamental controlar la mayor cantidad de
parámetros para disminuir las variaciones asociadas a
crecimiento y desarrollo del sistema radicular. Por lo
tanto, se hace necesario realizar una búsqueda exhaustiva
de información documental sobre los ensayos de corte
realizados en suelos con raíces de distintas especies,
haciendo especial atención hacia la gramínea en estudio,
así como las características de crecimiento, desarrollo y
otras propiedades del pasto y su sistema radicular.
Considerando la escasa cohesión que presenta
el material, se requirió la elaboración de una serie de
recipientes, de idénticas dimensiones a la caja de corte,
para minimizar las perturbaciones en la muestra a
ensayar. Estos contenedores fueron realizados en vidrio
para observar el crecimiento de la raíz y controlar la
humedad del suelo, entre otras variables (Figura 1).
Figura 1. Recipientes y esquema de muestreo para corte
a profundidades de 10 y 25 cm.
Se realizan ensayos granulométricos (ASTM
D422) y límites de consistencia (ASTM D4318), peso
determina la densidad seca máxima y el contenido de
humedad óptimo (ASTM D1557) del suelo a utilizar para
Para la plantación de la gramínea se seleccionan
plantas con al menos tres hojas bien desarrolladas,
disponiendo el mismo número de especies para cada
recipiente, a los mismos se les registra el número de
raíces, sus diámetros y longitudes para establecer el
registro original.
Se compacta el suelo a la densidad máxima
y el contenido de humedad óptimo, para minimizar la
dispersión de los datos y se introducen los vástagos con
características similares en los recipientes. Se exige un
grado de compactación superior al 90% y tripletas de
recipientes con parámetros de siembra lo más similar
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
241
Estudio de la Resistencia al cortante en arenas mal gradadas con vetiver
posible.
Una vez establecidas las gramíneas, se le cortan
las hojas para favorecer el desarrollo de sus raíces ([25],
Figura 1). Durante el periodo de crecimiento de la planta,
las muestras son sometidas a un control constante,
minimizando las variables de luz y humedad del suelo.
Las pruebas de corte directo para el sistema
suelo - raíces de vetiver, comienzan a efectuarse a partir
de la cuarta semana de siembra con una frecuencia
semanal hasta la octava semana. Se realizan ensayos no
consolidados - no drenados, a profundidades de 10 y 25
cm del inicio de las raíces (Figuras 1 y 2). Las cajas de corte
utilizadas, eran cuadradas de área 100 cm2 y 4 cm de alto.
Se utilizó un aparato de corte de deformación controlada
con una velocidad de desplazamiento de 1 mm/min.
Figura 2. Esquema del ensayo de corte directo para el
sistema Suelo – Raíz ensayado.
Al culminar cada ensayo para los suelos
plantados, se determina el contenido de humedad
y se observan las características de las raíces como
desplazamientos, elongaciones y los ángulos de distorsión
del área total transversal de las raíces entre el área total
momento de siembra (RARi), previo al ensayo (RAR) y su
(1)
(2)
Posteriormente se replican las características
del suelo (densidad, contenido de humedad) para
realizar los ensayos control (suelo sin raíz). Finalmente,
se analizan comparativamente los resultados obtenidos,
correlacionando las variaciones en la resistencia con
parámetros asociados a la cantidad de raíces presentes,
Resultados y Discusión
Para un mejor desarrollo se presentan estos
en tres grupos: clasificación de suelos y propiedades de
siembra, ensayos de corte directo y por último relación
entre RAR y los incrementos.
Clasificación y parámetros de siembra.
La muestra ensayada fue clasificada como arena
mal gradada, SP, según el Sistema Unificado de Clasificación
de Suelos (SUCS), con un 97,08% de partículas tamaño
arena, 2,38% de finos y tan solo 0,54% de gravas (Tabla
1). El peso específico relativo de los sólidos fue 2,63 y la
densidad máxima seca obtenida del Proctor modificado
fue 1,75 g/cm3.
Tabla 1. Datos granulométricos y clasificación según el
SUCS.
Grava (%) Arenas (%) Finos (%) Cu Cc Clasicación SUCS
0,54 97,08 2,38 3,06 0,9 SP
Ensayos de corte directo.
En los ensayos de corte directo, se requiere un
exhaustivo control de las variables que influyen, en mayor
medida, sobre la resistencia de los suelos (densidad,
contenido de humedad). Por ello, estos parámetros fueron
verificados en cada ensayo. Los pesos específicos secos
del suelo control oscilaron entre 1,604 g/cm3 y 1,628 g/
cm3, con una media de 1,619 g/cm3. Los contenidos de
humedad variaron entre 12% y 16%, con una media de
13,67%.
Por su parte, los suelos con vetiver tuvieron una
densidad que osciló entre 1,605 g/cm3 y 1,627 g/cm3, con
una media de 1,619 g/cm3, mientras que los contenidos
de humedad estuvieron entre 12,08% y 16,28%, para una
media de 13,84% (Tabla 2).
Se enfatiza la mínima diferencia que existió entre
las muestras de suelo control y suelo-vetiver ensayadas
para cada semana; se registró una diferencia máxima de
0,003 g/cm3 para la densidad y 0,28% en el contenido de
humedad.
Los resultados de estos ensayos (Tabla 2)
muestran que el suelo control tiene en promedio una
cohesión de 0,0083 kg/cm2 y un ángulo de fricción interna
de 29,108°. El sistema suelo-vetiver, exhibe un incremento
significativo en sus propiedades, variando desde 0,0488
kg/cm2 y 30,811° hasta 0,0697 kg/cm2 y 32,309°, para los
períodos de tiempo considerados (Tabla 3).
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
242 Torres y col.
Tabla 2. Cohesión y Ángulo de Fricción Interna para muestras de suelo control y suelo-vetiver
Tiempo
(sem.)
Suelo Control Suelo-Vetiver Variación
γd
(g/cm3)
ω
(%)
c
(kg/cm2)
ϕ
(°)
Prof.
(cm)
γd
(g/cm3)
ω
(%)
c
(kg/cm2)
ϕ
(°)
ΔC
(kg/cm2)
Δϕ
(°)
4 1,628 12,00 0,0087 29,41 10 1,625 12,08 0,0505 31,55 0,0418 2,149
5 1,628 12,00 0,0087 29,41 10 1,627 12,13 0,0566 31,90 0,0479 2,493
6 1,624 13,00 0,0081 29,27 25 1,623 13,09 0,0488 30,81 0,0401 1,406
7 1,624 13,00 0,0081 29,27 25 1,624 13,26 0,0549 31,19 0,0462 1,785
8a 1,604 16,00 0,0079 28,18 10 1,607 16,17 0,0697 32,31 0,0618 3,525
8b 25 1,605 16,28 0,0610 31,33 0,0531 2,545
Media 1,619 13,67 0,0083 29,11 - 1,619 13,84 - - - -
Desv. Est. 0,011 1,75 0,0004 0,523 - 0,009 1,81 - - - -
Tabla 3. Variación temporal de cohesión, ángulo de fricción interna y parámetros de raíces.
Tiempo
(sem.) Prof. (cm) ΔC
(kg/cm2)
Δϕ
(°)
RAR prom.
(m2/m2)
Δraíces
prom (%)
ΔC
(%)
Δϕ
(%)
ΔRAR
prom. (%)
4 10 0,0418 2,148 0,0034 26,67 480,46 7,31 16,88
5 10 0,0479 2,492 0,0034 40,00 550,57 8,48 45,32
6 25 0,0401 1,406 0,0042 24,44 460,91 4,78 11,40
7 25 0,0462 1,785 0,0046 62,22 531,03 6,07 36,10
8a 10 0,0618 3,525 0,0073 146,67 782,28 12,25 117,49
8b 25 0,0531 2,544 0,0071 102,22 672,15 8,84 86,84
El ensayo se detuvo al observar al menos cinco
lecturas constantes y una caída en el dinamómetro, no
obstante la curva desplazamiento cortante – esfuerzo
de corte señala que el sistema puede que no haya
alcanzado aún su carga máxima (Figura 3), debido a que
sólo se observaron desgarros de la corteza superficial,
elongaciones y distorsiones en las raíces, coincidiendo con
las observaciones de Goldsmith [24]. Esto es importante,
ya que de entrada permite establecer que el mecanismo
de rotura para este caso podría ser estiramiento o
deslizamiento de raíces [19].
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
243
Estudio de la Resistencia al cortante en arenas mal gradadas con vetiver
Figura 3. Desplazamientos de corte y esfuerzos cortantes
para cada muestra ensayada
En la figura 4, se presentan las envolventes
de falla según el criterio Mohr-Coulomb tanto para el
suelo control y sistema Suelo-Vetiver. En ella es posible
identificar que existe un incremento en los parámetros
cohesión y ángulo de fricción, lo que difiere a lo postulado
por Ali y Osman [10], Dauvodi [23], Goldsmith [24].
Figura 4. Envolventes de roturas a distintas edades y
profundidades para el suelo control y suelo con vetiver.
Incremento en la resistencia al cortante y su relación
con el RAR.
Para las muestras analizadas los diámetros de
las raíces varían entre 0,5 y 2,2 mm. Se observa, para la
misma profundidad, un incremento tanto en el parámetro
RAR como en el número de raíces conforme se incrementa
el tiempo.
Cuando se representan la variación de la
cohesión y del ángulo de fricción interna, en función
del RAR (Figura 5 a), se observa que estos parámetros
se incrementan de forma lineal conforme aumenta la
densidad de raíces, siendo necesarios estudios adicionales
para definir completamente el comportamiento. Existe un
aparente paralelismo entre las diferentes profundidades;
dispersión se acota y para el caso de la cohesión se
presenta un ajuste lineal.
Figura 5 a. Variación de la cohesión y ángulo de fricción
interna respecto al RAR, adimensional y porcentual.
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244 Torres y col.
Figura 5 b. Variación de la cohesión y ángulo de fricción
interna respecto al RAR, adimensional y porcentual.
Analizando las variaciones absolutas y
porcentuales de los parámetros resistentes (Tabla 3 y
Figura 5 b) se identifica un incremento desde 0,0401
kg/cm2 (460%) hasta 0,0618 kg/cm2 (782,28%) para la
cohesión y 1,406 (4,78%) hasta 3,525° (12,25%) para
la fricción, destacando que estos se relacionan de forma
lineal (Figura 6).
Figura 6. Relación entre la variación de la cohesión y
ángulo de fricción interna.
Igualmente, se percibe que la variación del último
es baja, en relación al cambio porcentual que presenta la
cohesión (Figura 7), esto coincide con lo reportado por los
autores previos, salvo por el incremento en el ángulo de
fricción interna.
Figura 7. Variaciones de cohesión, fricción, raíces y RAR
por semana y profundidad
Por último, cuando se analiza el máximo esfuerzo
cortante o su incremento respecto al suelo control y el RAR
(Figura 8) no se aprecia una relación lineal entre estas
variables, lo que contrasta con lo indicado por Mickovski
y van Beek [17].
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
245
Estudio de la Resistencia al cortante en arenas mal gradadas con vetiver
Figura 8.max,
kg/cm22) con el RAR (m2/m2).
Conclusiones
Los resultados muestran que el desarrollo
del sistema radicular del pasto vetiver aumenta
considerablemente la resistencia al corte, este incremento
se ve reflejado tanto en la cohesión como en el ángulo de
fricción interna.
La variación de cohesión se encuentra entre
0,0401 kg/cm2 (460%) y 0,0618 kg/cm2 (782,28%), por
su parte para el ángulo de fricción interna los incrementos
oscilan entre 1,406 (4,78%) y 3,525° (12,25%). Resulta
evidente que en suelos granulares, los mayores aumentos
se generan en la cohesión, pese a esto, una variación
superior a 3° en la fricción de un material granular no es
una cantidad despreciable.
Los incrementos en las propiedades resistentes
de un suelo, guardan una estrecha relación con la
cantidad de raíces presentes en el plano de falla. Es difícil
asegurar que la resistencia medida corresponde a la
resistencia máxima ya que sólo se apreciaron desgarros y
deslizamientos en las raíces.
El desarrollo del sistema radicular presenta un
incremento máximo de 146,67% en la octava semana de
desarrollo respecto al número de raíces y el RAR tuvo una
variación máxima de 117,49%.
Existe una dispersión entre las profundidades, al
momento de relacionar las variaciones en los parámetros
de resistencia al corte de un suelo y el parámetro
RAR, no obstante esta se minimiza al compararlo con
el incremento porcentual de este parámetro. Resulta
interesante que pese a la existencia de una correlación
entre los parámetros de resistencia al corte con el RAR,
esta no se ve reflejada en el esfuerzo cortante máximo o la
variación en el cortante máximo.
En general se sugiere realizar esta metodología,
con un número mayor de ensayos, en diferentes tipos
de suelo y estadios de crecimiento de la planta, para
evaluar si las tendencias aquí presentadas se mantienen.
Igualmente se debe verificar si los modelos de resistencia
al corte propuestos para suelos con raíces se adecuan a los
resultados obtenidos en esta investigación.
Agradecimientos
Se agradece toda la colaboración del personal
del Laboratorio de Mecánica de Suelos y Pavimentos de la
Universidad de Los Andes en la realización de los ensayos
asociados a la investigación.
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UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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en Diciembre de 2019, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154 - 262_______________
