SEMESTRE
:
VIII - 2012 A.
Cerro de Pasc o -:- PERÚ – 2012
INTRODUCCIÓN El presente trabajo es fruto de una investigación exhaustiva, del efecto que tienen las arcillas en la ingeniería para los cuales se tratara de temas relacionados de manera resumida y contundente de las diferentes propiedades mecánicas que presentan las arcillas en los suelos; así como las formas de identificación de cada una de las mismas; y los diversos problemas que genera en la ingeniería.
INTRODUCCIÓN El presente trabajo es fruto de una investigación exhaustiva, del efecto que tienen las arcillas en la ingeniería para los cuales se tratara de temas relacionados de manera resumida y contundente de las diferentes propiedades mecánicas que presentan las arcillas en los suelos; así como las formas de identificación de cada una de las mismas; y los diversos problemas que genera en la ingeniería.
a l n e s a l l i a c í r r a e i n n o e c g s n a i m e l b o r P
Suelos dispersivos
Obras civiles
Suelos expansivos Suelos colapsables
minería
DE SC RIPCIÓN :
Las arcillas dispersivas son fácilmente erosionables debido al estado físicoquímico de la fracción de la arcilla de un suelo que causa a las partículas individuales de la arcilla al dispersarse y se rechazan en la presencia del agua relativamente pura. Cuando el suelo de arcilla dispersiva es sumergido en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de manera semejante a las partículas granulares.
El suelo de arcilla dispersiva erosiona con la presencia del agua que fluye Tal erosión puede ser provocada por una filtración inicial a través de la presa, por ejemplo, en las áreas de suelos con alta permeabilidad, especialmente alrededor de los conductos, contra las estructuras de concreto y en los contactos de las cimentaciones, el secado de grietas, el asentamiento diferencial de las fisuras, la saturación del asentamiento de las fisuras.
Para determinar si existe este tipo de suelo es necesario comenzar con el reconocimiento de erosiones y hondonadas profundas, junto con cualquier depósito de agua. Aunque también se debería proceder con exploraciones adicionales como:
La erosión de grietas en los caminos
La erosión a lo largo de las quebradas y la erosión de intemperización o las arcillas unidas en rocas pueden señalar suelos potencialmente dispersivos.
La presencia de charcos de agua luego de la lluvia indica suelos dispersivos..
La presencia de arcillas dispersivas puede ser identificada por el afloramiento superficial de sales, o por la formación de orificios superficiales que se hallan bastante erosionados
La erosión severa superficial es otro problema causado por la presencia de arcillas dispersivas. Esta erosión va por lo general de cántaros
Ejemplo de falla en una presa debido a la presencia de suelos dispersivos
Erosión profunda por suelos dispersivos
Afloramiento superficial de sales
Erosión severa
Orificios superficiales producto de la erosión de la arcilla dispersiva
•
•
Muchas arcillas dispersivas son de origen aluvial. Algunas arcillas de las laderas de lechos de río son también dispersivas.
•
•
•
Algunos suelos derivados de la lutita La arcilla bajo un medio marítimo son también dispersivos. Los suelos derivados de la intemperización de las rocas ígneas y metamórficas son casi todos no dispersivos, pero pueden ser erosionables, (por ejemplo, la arena limosa derivada de la granodiorita).
•
Suelos con un alto contenido orgánico probablemente no son dispersivos (esto necesita ser tratado con cautela, desde que muchos suelos tipo "algodón negro" son dispersivos).
Para la identificación de arcillas dispersivas en laboratorio, el Servicio de Conservación de Suelo ( SCS ) recomienda la realización de al menos tres de los cuatro siguientes ensayos de laboratorio: •
•
•
Ensayo de erosión interna. Análisis químico del extracto de poros. Método Estándar para las características de suelos arcillosos por doble hidrometría.
•
Ensayo químico de fracciones de suelo.
En sayo De Er osión I nterna. Análisis
Este ensayo presenta una medida directa
y
dispersividad
cualitativa y
de
Qu ímico
D el
. Ex tr acto De Poros
la
consecuente
erosión de suelos arcillosos que
El objetivo principal de este ensayo es la determinación de
es causada por el flujo de agua a
las cantidades de los cuatro
través de un pequeño orificio
cationes metálicos principales
realizado en la muestra.
presentes en el agua.
El ensayo de doble hidrometría se halla estandarizado y consiste Mé todo Estándar
básicamente de la realización de dos ensayos hidrométricos; el
Para L as
primero se hace utilizando un agente dispersante mientras que el
Características De
segundo se lo realiza prescindiendo de este.
Suelos Ar cil losos Por Doble H idrometría.
Finalmente se comparan los resultados obtenidos de los dos ensayos realizados. A partir de esta comparación se obtiene el grado de dispersión de las arcillas.
Este ensayo es un método bastante simple para la identificación de arcillas dispersivas tanto en campo como
Ensayo
en laboratorio. La dispersividad del suelo es determinada a
De Fracciones De
partir de su clasificación en cuatro grados o categorías que
. Suelo
se diferencian de acuerdo a la reacción suelo-agua que se presenta en el ensayo.
Químico
Ya que los suelos dispersivos no son fácilmente detectables, pueden presentarse antes o después de realizar una carretera o hacer taludes, éstos suelos ocasionan que se deslicen y colapsen bajo lluvias fuertes o filtraciones de agua si no se refuerzan contra la erosión.
Las edificaciones, de cualquier envergadura, si no poseen el estudio adecuado de suelos, podrían presentar problemas de asentamiento y/o colapsar debido a la socavación de sus bases
Generalmente son suelos de origen eólico, cuya estructura está ligeramente cementada por sales acarreadas por la brisa marina, con lo cual adquieren una resistencia aparente. Son suelos en estado metaestable, que generalmente se presentan en áreas desérticas.. La estructura de estos suelos es abierta y floja, como corresponde a la naturaleza limosa de sus partículas y a su origen (depositados por la acción del viento o de aguas tranquilas, que transportan las partículas finas y las depositan al dejar de actuar la corriente).
(a) (b) Figura. Mecanismo de colapso de una arena colapsable (a) Estructura de suelo cargada antes de la inundación. (b) Estructura de suelo cargada después de la inundación (Rogers, 1995)
Identificación De Suelos Colapsables Rogers(1995) cita como características típicas, de la mayoría de suelos colapsables, las siguientes: Estructura abierta Alto índice de vacíos Baja densidad seca Alta porosidad Provienen de depósitos relativamente jóvenes o recientemente alterados. Alta sensitividad y baja fuerza de enlace entre las partículas. •
•
•
•
•
Según información geológica y geomorfológica este tipo de suelos suele presentarse en regiones áridas donde se tiene la presencia de depósitos aluviales y coluviales.
La mayoría de los suelos colapsables que se presentan en estado natural son eólicos, es decir, arenas y/o limos depositados por el viento, tales como los loes, las playas eólicas y los depósitos de polvo volcánico, los cuales tienen altas relaciones de vacios, pesos específicos bajos y sin cohesión o solo ligeramente cohesivos. Los depósitos de loes tienen partículas de tamaño de limo.
La cohesión en los loes puede ser el resultado de la presencia de arcilla alrededor de las partículas de tamaño de limo, que las mantiene en una condición bastante estable en un estado no saturado. La cohesión también es ocasionada por la presencia de precipitados químicos lixiviados por el agua de lluvia. Cuando el suelo se satura, la adhesión de la arcilla pierde su resistencia y por tanto sufre un colapso estructural.
Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja con suelos colapsables Estabilización de suelos es un término colectivo para cualquier método físico, químico, biológico o una combinación de cualquiera de ellos, empleados para mejorar ciertas propiedades del suelo natural y así adecuarlos a los propósitos de ingeniería, (Winterkorn & Pamukeu ,1991). Cuando se establece la presencia de un suelo colapsable, el proceso de estabilización debe ser realizado antes de iniciar la construcción de la estructura, es decir, antes de iniciar la construcción de las fundaciones. Este proceso es llevado a cabo para cualquier clase de fundación a utilizar.
La estabilización de suelos colapsables puede ser realizada mediante dos métodos que son: Estabilización física.- Es realizada mediante el uso de compactación dinámica. Consiste en excavar la capa superior del suelo, procediéndose luego a la compactación de este mediante el uso de un pisón. De esta manera se aumenta la densidad seca del suelo. •
Estabilización química.- Se logra a través de la adición de cemento Pórtland al suelo, pudiendo también utilizarse cal, o materiales bituminosos. Sin embargo, se debe tener en cuenta, que en suelos con presencia de materia orgánica en un porcentaje mayor al 2%; la acción estabilizadora del cemento es neutralizada. •
Se denominan suelos expansivos a aquellos suelos, sobre todo los de grano fino (arcillas), que se expanden considerablemente cuando se adiciona agua y luego se contraen al perderla.
Al referirse a suelos expansivos, uno debe pensar en arcillas o en rocas sedimentarias derivadas de arcillas, en las que los cambios de volumen se deben a un cambio en el contenido de humedad. En este aspecto, las arcillas son fundamentalmente diferentes a las gravas, arenas y limos.
En contraste, las arcillas están formadas de partículas muy pequeñas que generalmente tienen la forma de placas.
Potencial de expansión de minerales de arcilla pura (Budge et al, 1964).
La expansión ocurre cuando el agua se infiltra en o entre las partículas de arcilla, causando la separación de éstas. La caolinita es esencialmente no expansiva debido a la presencia de fuertes uniones de hidrógeno que mantienen a las partículas individuales de arcilla juntas. Por otro lado, la ilita contiene uniones de potasio débiles que permiten una expansión limitada. la motmorrilonita cuyas uniones son aun más débiles .
Existe otro tipo de fuerzas que influyen en el fenómeno de expansión. Estas son: •
Tensión superficial .- En la lamina de agua ubicado entre las partículas Esta fuerza tiende a empujar las partículas juntas comprimiendo el suelo.
•
Presión osmótica.- Fuerza que tiende a atraer el agua y presionar las
partículas expandiendo así el suelo. •
Presión atrapada.- En los bulbos de aire la fuerza tiende a expandir el suelo.
•
Esfuerzos efectivos.- Debidos a cargas externas tienden a comprimir el suelo.
•
Fuerzas intermoleculares (De London-Van Der Waals).- Tienden a
comprimir el suelo.
Por ejemplo, si se considera una arcilla motmorrillonita que se halla inicialmente saturada, y si se supone que se producen cambios en la tensión superficial y en la presión osmótica; el cambio en la estructura de esta arcilla es observado en las Figuras (b) y (c) En la Figura, si se asume que el suelo se seca, el contenido de humedad remanente se reunirá cerca de la interfase entre partículas, formando un menisco en el que las fuerzas de tensión superficial resultantes producen que las partículas de suelos se contraigan. En esta etapa el suelo puede ser comparado con un resorte comprimido. Por tanto, el suelo en la Figura (b), tiene una gran afinidad con el agua y atraerá el agua disponible por medio de la osmosis. En esta etapa se produce en el suelo un valor de succión muy alto. Luego, si existe agua disponible en los alrededores, el fenómeno de succión atraerá ésta al interior de los espacios entre las partículas del suelo y el suelo se expandirá. (c). En esta etapa el resorte ha sido liberado, y quizás será ahora forzado hacia fuera. Partículas de arcilla
Agua
(a)
(b)
(c)
Los problemas que se originan por movimientos de suelos expansivos y que son transmitidos a las cimentaciones son provocados principalmente por cambio de humedad. Dichos movimientos son de: •
Monotonos
•
Estacional
•
Accidental.
Describen el cambio de un estado de equilibrio a una nueva.
Se manifiestan en el suelo en campo abierto, cuando el terreno experimenta movimientos cíclicos debido a las fluctuaciones de contenido de humedad, con el tiempo.
Las causas accidentales de movimientos en suelos expansivos son las que se reducen cuando el suelo se satura por fugas de agua, del drenaje de agua potable, o por riego excesivo de áreas verdes. es otra causa accidental; los arboles son capases de producir un estado profundo de desecación del suelo, que va mas allá d su limite de contracción. Cerca de las raíces, el suelo se encuentra en estado más activo y propenso a expandirse.
Existen 2 maneras de proporcionar solución a las cimentaciones sobre los suelos expansivos:
Substitución, estabilización: Cimentación: flexible, rígida y aislada.
Existen diferentes tipos de cimentaciones superficiales: •
•
•
•
Muros de carga sobre zapatas corridas. Losa de cimentación que cubra toda el área para construir: Losa flexible Losa rígida
A largo plazo la cimentación es soportado por el suelo en su parte central por que al incrementarse la unidad bajo la cimentación, el suelo forma una especie de domo (o plato invertido) al expandirse.
Los daños en las estructuras de fundación que ocurren como resultado de la presencia de un suelo con elevado potencial de expansión, pueden ser evitados a través de la aplicación de tres posibles alternativas: •
•
Reemplazar el suelo expansivo bajo la fundación. Esta alternativa es viable en caso de que se trate de suelos poco profundos. Estabilización del suelo expansivo, ya sea mediante compactación controlada, pre humedecimiento, y/o estabilización química.
La compactación cuando se trabaja con suelos expansivos puede ser una
medida útil para disminuir el potencial de expansión. Por lo general, no se recomienda el uso de losas de fundación, sobre todo en casos donde se espera un levantamiento mayor a 38 mm.
Por otro lado, el principal objetivo del prehumedecimiento es que la mayor parte del levantamiento se de antes de la construcción. Esto se consigue incrementando el contenido de humedad del suelo a través de un embalse.
Posteriormente, se agrega 4-5% de cal hidratada a la capa superior de suelo, obteniéndose de esta manera una capa de suelo menos plástica y más trabajable. La desventaja principal de este procedimiento radica en que la infiltración en suelos arcillosos es muy lenta.
Finalmente, la estabilización química del suelo es realizada con ayuda de cal y cemento. La cal o cemento y agua son mezclados con la capa superior de suelo, para luego ser compactadas. Este procedimiento puede ser realizado hasta 1.5 m de profundidad, siendo el principal objetivo el de disminuir el límite líquido, el índice de plasticidad y las características de expansión del suelo. •
Construir estructuras lo suficientemente flexibles para resistir el levantamiento diferencial del suelo sin fallar.
En la Ingeniería se tienen las preguntas que en cualquier problema geotécnico se deben contestar, pero existen muchas adicionales, relativas al tipo de problema y a la solución considerada. Algunas de estas preguntas son:
¿Cuáles son los rangos de variación de la presión de poro que pueden presentarse en el suelo arcilloso y qué movimientos provocarán? ¿Qué efectos se pueden generar en nuestra obra por la construcción de obras Civiles y Mineros? ¿Qué acciones pueden llevarse a cabo para controlar la humedad de las Arcillas? ¿Cómo pueden controlarse los movimientos de suelos Arcillosos? ¿Qué estudios de campo y laboratorio son necesarios, tomando en cuenta que se trata de (arcilla expansiva) un suelo no saturado? ¿Cómo determinar la interacción suelo Arcilloso - estructura? ¿Qué tan factible es obtener muestras de rocas representativas en una perforación diamantina para ensayar en el laboratorio? ¿Es representativa la humedad del suelo en el momento de extracción y ensaye, respecto a la que o las que podrán presentarse durante la vida de la obra? ¿Cómo podrá alterarse la humedad arcillosa en el sitio por efecto de la construcción?
OBRAS CIVILES Y MINERAS EN LA QUE AFECTA LAS ARCILLAS OBRAS CIVILES Numerosas obras de ingeniería descansan sobre suelos: edificios, puentes y viaductos, carreteras y caminos, vías de ferrocarril, etc. Otras lo atraviesan, como los túneles del metro, y las obras de abastecimiento y saneamiento. Si el terreno no resistiera adecuadamente, podrían aparecer grietas en su interior, roturas de cristales, o lo que es peor, se podría hundir el edificio o parte de él. -
CONSTRUCCIONES HIDRÁULICA. SANITARIA. TUNELES Y EXCAVACIONES.
-
ESTRUCTURAS. REPRESAS. CARRETERAS. CORETE Y RELLENO.
OBRAS MINERAS - PERFORACIONES DIAMANTINAS. EN LABORES DE EXPLORACIÓN, DESARROLLO Y EXPLOTACIÓN
PERFORACIONES DIAMANTINAS
Impide En
la recuperación al 100% de los testigos,
zonas de fallas tiende a amarrar las tuberías
Pérdida
de tiempo.
Pérdida
de materiales (tuberías y otros).
PERFORACIONES EN SUPERCFICIE
Perforaciones Diamantinas en u na g alería d e un a Min a Sub terr anea
MUESTRAS ROCAS
EN LABORES DE EXPLORACI N, DESARROLLO Y EXPLOTACIÓN Es
dificultoso poder atravesar la zona.
Perdida
de tiempo
En
zonas de falla, es necesario el armado de buenos cuadros (bien topeados, encostillados, enrejados, encribados) y sus marchavantes, y si es necesario se arma castillos. Causa
diversos accidentes (soterramiento de personal, camionetas,
etc). Perdida
o deterioro de materiales (tuberías, barrenos, máquina, percheros, maderas, cimbras, etc). Genera
Rojas).
deslizamiento en los tajos abiertos (ejemplo: tajo Raúl
Cuadros
Cimbra Metálicas para el soporte de las Arcillas de una Falla
Fallas inestables de la roca (Liberaciones de energía potencial)
CARRETERAS
Inestabiliza
taludes, provocando debilitamiento de los muros de contención de las carreteras. Provoca
derrumbes (huaycos), causando paralización en el tránsito (ejemplo en la selva). Fracturamiento
de vías asfaltadas, debido al bombamiento de las arcillas.
Panorámica del deslizamiento
Deslizamientos de laderas p or desprend imientos d e Arcillas
EN CONSTRUCCIONES
Los
suelos arcillosos pueden inclinar edificios y diversas construcciones hechas. Inestabiliza
presas, PAD de lixiviación, canchas de relave, canchas de desmonte, etc.
Hinchamiento
EN TÚNELES Un ejemplo de colapso de un túnel se muestra en el hundimiento del túnel de maniobras de la L5 del metro de Barcelona.
EN PRESAS Rotura de la Presa de Aznalcollar: Un ejemplo de Fallo Geologico-Geotecnico por presencia de Arcillas. La Presa estaba apoyada sobre la formación Miocena conocida como margas Azules, constituidas por Arcillas de Plasticidad Alta, muy sobreconsolidadas y con abundante superficies de corte en su interior.
INVESTIGACIÓN DEL SITIO PARA UNA OBRA YA SEA MINERA O CIVIL La profundidad de la investigación depende de las necesidades del proyecto (Sondajes, geofísica, ensayos, construcciones civiles, etc.) Incluyendo los estudios iniciales (revisión bibliográfica, logística, planificación, etc.), investigación del terreno Arcilloso, ensayos de terreno y elaboración de informes.
tiene formación Científica y Técnica aplicada a la solución de los problemas Geológicos por las Arcillas que afectan a la Ingeniería, dando respuesta a las Siguientes Cuestiones. 1. Dónde situar una obra pública o instalaciones industrial que su emplazamiento sea geológicamente seguro sin problemas de movimientos de las arcillas. 2. Por donde trazar una vía de comunicación donde no pudieran observarse deslizamientos por causa de suelos arcillosos. 3. En qué condiciones Geológicas - Geotécnicas debe cimentarse un edificio. 4. Como y donde excavar un Túnel o instalaciones subterráneas para que sea estable. 5. Con que y donde se pueden construir las Represas, carreteras, túneles, etc. 6. A que tratamiento debe someterse el terreno para evitar o corregir hundimientos, asientos, desprendimientos, etc. a causa de suelos arcillosos. 7. Como evitar, controlar o prevenir los riesgos geológicos por presencia de arcillas (deslizamientos, etc.) 8. Que criterios geológicos-geotécnicos deben tenerse en cuenta en la solución de los diferentes problemas a causa de los suelos arcillosos en la ingeniería
