Arcillas - Problemas en Ingenieria...

Cerro de Pasco, Noviembre -:- 2012

GEOTECNIA I

UNIVERSIDAD NACIONAL

“DANIEL ALCIDES CARRIÓN”

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE

GEOLOGIA TEMA:

ARCILLAS PROBLEMAS EN INGENIERIA

Asignatura: Asignatura :

Geotecnia I

Semestre :

VIII

Cerro de Pasco, Noviembre del 2012

Suelos – ARCILLAS ARCILLAS Identificación y Problemas en Ingeniería

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GEOTECNIA I

UNIVERSIDAD NACIONAL

“DANIEL ALCIDES CARRIÓN”

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE

GEOLOGIA TEMA:


Asignatura: Asignatura :

Geotecnia I

Semestre :

VIII

Cerro de Pasco, Noviembre del 2012


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GEOTECNIA I

DEDICATORIA

A aquellos que en el largo camino, nunca se dieron por

vencidos,

sino

que

han

permanecido

perseverantes a pesar de las diferentes dificultades que se atraviesa diariamente. A nuestra Alma Máter - UNDAC


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GEOTECNIA I

AGRADECIMIENTO

El presente informe, es el significado y resultado del incondicional apoyo y colaboración de nuestros apreciados Padres, por darnos la oportunidad y el privilegio de seguir cursando nuestros estudios superiores, en la Universidad Nacional Daniel Alcides Carrión, agradecemos sinceramente a Ellos. Al Ing. Reynaldo Mejia Cáceres por los conocimientos que que nos brinda a cada uno de nosotros, ya sea en salón salón de clases así como también en el campo. De la misma manera ofrecemos espléndidos reconocimientos, a los distintos docentes de la Universidad Nacional Daniel Alcides Carrión de la Escuela de Geología por sus conocimientos y experiencias regadas en clase. A Dios por la razón de nuestro existir…


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INDICE DEDICATORIA AGRADECIMIENTOS INDICE INTRODUCCIÓN OBJETIVOS

CAPITULO I

SUELOS ESPECIALES I. II. III.

Suelos Dispersos Suelos Colapsables Suelos Expansivos

CAPITULO II

PROBLEMAS DE LA INGENIERÍA 1. 2. 3. 4.

En perforaciones diamantinas. En labores de exploración, desarrollo y explotación. En carreteras. En construcciones.

CAPITULO III CONCLUCIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA

Suelos – ARCILLAS Identificación y Problemas en Ingeniería

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INTRODUCCIÓN

La Geotecnia es la Ciencia dedicada a la investigación, estudio y solución de problemas relacionados con las propiedades mecánicas que resultan de la interacción entre la geología y las obras y actividades del hombre, así como a la prevención o remediaciones de Suelos Arcillosos. El presente trabajo es fruto de una investigación exhaustiva, y trata de temas relacionados de manera resumida y contundente de las diferentes propiedades mecánicas que presentan las arcillas; así mismo comenta de las formas de identificación de cada una de las mismas; así como también de los diversos problemas que genera en la ingeniería, sus causas, sus métodos, Factor de Seguridad, y otros más relacionados a estos. En primer lugar resulta interesante conocer qué son y cómo se formaron estas arcillas, pues bien, no son sino depósitos de arcillas y limos que se formaron por floculación en las “lagunas” y aguas remansadas de

agua salada

que se generan durante las glaciaciones. Dichos depósitos presentan una estructura interna en la que la sal actúa como un cemento relativamente débil por sus cualidades físicas, principalmente el tamaño, y químicas. Los Alumnos


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OBJETIVOS:



Conocer las diferentes propiedades mecánicas de las diversas arcillas.



Instruirnos en lo que engloba el reconocimiento de dichas arcillas.



Estar al tanto de los problemas que causan las arcillas en la Ingeniería.



Solucionar los problemas en la Ingeniería por causa de las Arcillas.



Otros.


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ARCILLAS DISPERSIVOS

Antecedentes Este tipo de suelo fue conocido primero por los ingenieros agrónomos hace más de 100 años. La importancia del tema en la práctica de la Ingeniería Civil ha sido reconocida aproximadamente desde 1940, pero no fue ampliamente apreciada sino hasta comienzos de 1960. Se inicia en Australia cuando, se investiga las fallas de socavación en presas de tierra y se observa el comportamiento de la arcilla dispersiva en presas pequeñas de arcilla. Desde este tiempo, muchas investigaciones han sido ejecutadas a fin de mejorar los procedimientos para identificar a las arcillas dispersivas

Descripción Las arcillas dispersivas son fácilmente erosionables debido al estado físico-químico 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. Las arcillas en este estado son altamente erosivas por los bajos gradientes hidráulicos del flujo del agua 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, y/o el fracturamiento hidráulico.


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IDENTIFICACIÓN DE ARCILLAS DISPERSIVAS (RECONOCIMIENTO DE CAMPO) 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


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Erosión profunda por suelos dispersivos

Afloramiento superficial de sales

Erosión severa


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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).

IDENTIFICACIÓN DE ARCILLAS DISPERSIVAS EN LABORATORIO 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. Este ensayo presenta una medida directa y cualitativa de la dispersividad y consecuente erosión de suelos arcillosos que es causada por el flujo de agua a través de un pequeño orificio realizado en la muestra.

•

Análisis químico del extracto de poros. El objetivo principal de este ensayo es la determinación de las cantidades de los cuatro cationes metálicos principales presentes en el agua


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•

Método Estándar para las características de suelos arcillosos por doble hidrometría. El ensayo de doble hidrometría se halla estandarizado y consiste básicamente de la realización de dos ensayos hidrométricos; el primero se hace utilizando un agente dispersante mientras que el segundo se lo realiza prescindiendo de este. 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.

•

Ensayo químico de fracciones de suelo. Este ensayo es un método bastante simple para la identificación de arcillas dispersivas tanto en campo como en laboratorio. La dispersividad del suelo es determinada a partir de su clasificación en cuatro grados o categorías que se diferencian de acuerdo a la reacción suelo-agua que se presenta en el ensayo. 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


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Solucion es par a Di versos Pr oblemas con Suelos Dispersivos •

En este suelo al disminuir su porosidad, no es muy aconsejable, utilizar el lavado para su corrección debido a la deficiencia de su drenaje.

•

Bajar el pH aplicando yeso, cal viva, entre otros productos, que reaccionarían con el carbonato sódico, formando carbonato cálcico y sulfato sódico (álcali blanco).

•

En la agricultura la solución más factible es hacer cruzamientos con plantas tolerantes a la salinidad o utilizar el pasto para estabilizar las zonas dispersivas

•

Para las carreteras se utiliza una combinación de drenajes, sub-drenajes, pavimentos impermeables y reglamentos para el uso de agua con el fin de crear una restricción severa del humedecimiento.

•

En un terraplén debidamente gradado se puede realizar un "recubrimiento impermeable"


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SUELOS COLAPSABLES CARACTERISTICAS Y ALTERNATIVAS DE SOLUCIONES SUELOS COLAPSABLES Definición:

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. En la actualidad se incluyen en este grupo de suelos a aquellos fuertemente cementados por sales solubles, que sufren grandes asentamientos por la lixiviación de dichos materiales. Características de estos suelos: al contacto con el agua sufren cambios bruscos en su volumen por efecto del lavado de sus cementantes (sales), debido al reacomodo de sus partículas. Cuando el material cementante constituye gran parte de la matriz del suelo, el proceso de lixiviación también genera grandes reducciones de su volumen. Estos se encuentran en las regiones áridas y semiáridas. Los depósitos eólicos, coluviales, residuales, tufos volcánicos pueden ser colapsables.

(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) La causa más importante para el colapso es el decremento en la adhesión estructural que existe en los contactos entre elementos estructurales, cuando se lleva cabo el proceso de saturación. 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). (Figura 1)


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Figura. Reordenamiento de partículas y del índice de poros en función de la presión de consolidación (Benett y Hulbert, 1986). Nada más ser depositados no tienen cohesión, pero los espacios entre huecos de las partículas que los forman son ocupados, total o parcialmente, por partículas más finas y por débiles cementos yesíferos o carbonáticos. Estos cementos proporcionan cierta cohesión estructural interpartículas y un mínimo de capacidad resistente. En ausencia de agua, estos suelos cementados se mantienen estables y de modo localizado pueden alcanzar una débil a moderada resistencia. Incluso pueden definir niveles de encostramiento que proporcionen valores de hasta 0,3 N/mm². En presencia de agua, el cemento interpartículas se disuelve y el suelo pierde la escasa capacidad portante que tenía y colapsa. Si además el suelo soporta la carga correspondiente a una estructura el colapso se acentúa, y dicha estructura tenderá a colapsar, a asentar bruscamente, produciendo importantes patologías.


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Los suelos colapsables limo-yesíferos son los más habituales en España, donde se localizan en el Valle del Ebro y en algunas zonas de Levante. Presentan ciertas características geotécnicas comunes, como son los bajos valores de densidad seca (por debajo de 1.4 podemos plantearnos la presencia de suelos colapsables, y densidades de 1,2 son habituales), baja o nula plasticidad y elevados valores de colapso por inundación. Normalmente presentan características resistentes bajas, aunque pueden alcanzar valores medios. En presencia de agua, el cemento yesífero que dota de cierta resistencia al suelo se disuelve, siendo entonces cuando el suelo colapsa, llegando a perder hasta un 10% de volumen pudiendo producir un asiento brusco de las estructuras. Los suelos colapsables limo-arenosos se generan en climas muy secos (zona de Levante, Alicante, Murcia, Almería). Su grado de saturación es muy bajo, 20-30%. Debido a ello suelen presentar en su zona superior, más próxima a la superficie niveles encostrados. Sin embargo, por debajo el suelo esta flojo, sin cementar. Un caso especial de suelos colapsables lo constituyen los rellenos arenosos flojos. Suelen ser rellenos sin compactar, cuya estructura floja permite la entrada de agua disminuyendo las fuerzas de cohesión intergranular y provocando su colapso. Las cimentaciones más recomendables sobre este tipo de suelos son las cimentaciones profundas, que deben tender a sobrepasar los niveles colapsables. Una alternativa a esta tipología para casos de suelos con potencial bajo o medio de colapso, puede ser la cimentación mediante losa de suficiente rigidez, incluso apoyada sobre una mejora de terreno, que reparta cargas lo máximo posible con el fin de no concentrar tensiones, y /o trabajar a tensiones lo más bajas posibles, cuidando en todos los casos al máximo la posible afección del agua al terreno sobre el que se dispone la cimentación (saneamientos flexibles, colgados, realización de pruebas de estanqueidad, etc.)

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. Existen también, relaciones cualitativas y semi-cuantitativas entre el potencial de colapso y los índices de propiedad del suelo.

MANIFESTACIÓN DE PATOLOGÍAS EN EDIFICACIONES SOBRE SUELOS COLAPSABLES. Cuando ocurre el colapso del suelo sobre el se emplaza un edificio, pueden producirse daños en su estructura. Estos daños se manifiestan de modo semejante a los generados por asientos diferenciales (fundamentalmente grietas y/o fisuras a 45º (Figura 1.12 o 2.6 Del libro de Serrano).


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Figura Izqda.: Esquema de giro experimentado por 2 módulos de viviendas. Figura Dcha.: Tipología de lesiones en tabiques perpendiculares a pórticos. En algunos casos los colapsos pueden llegar a producir asientos del terreno que se reflejan sobre infraestructuras superficiales (líneas férreas, autovías, etc.) de modo evidente, generando daños importantes

Deformación en vías a consecuencia de un colapso de suelo. Línea férrea Madrid-Barcelona.


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En algunos casos extraordinarios de colapso de suelos, el hundimiento de éste puede “tragarse” literalmente algunas construcciones (Fotografía 2)

Colapso del terreno y hundimiento de las viviendas existentes a consecuencia del mismo

El hecho de cimentar sobre un suelo colapsable no implica que en todos los casos ese suelo vaya a colapsar, sino que han de darse una serie de condiciones para que eso ocurra, tales como: Que no se haya identificado previamente su existencia en el suelo que servirá de apoyo a una estructura. o

o

Que se produzcan una serie de condiciones de contorno, que constituyan el detonante y permitan el desarrollo del potencial colapso (lo más habitual roturas o fugas de la red de saneamiento, abastecimiento, riego de jardines, etc.)

Sistema constructivo no adecuado a las características del subsuelo de la parcela (saneamientos, drenaje o tipología de cimentación inadecuados) Para definir a priori si un suelo es o no colapsable, Houston et al (2001) proponen un método de identificación de suelos colapsables a partir de la clasificación de suelos. El criterio establecido por Houston et al es el siguiente: Suelos no plásticos: 

El suelo puede ser colapsable si: D60



0.1 mm

Donde: D60



= Diámetro mayor de partícula correspondiente al 60% más fino del suelo Suelos plásticos: El suelo puede ser colapsable, si:  IP  10

Donde: IP  

Valor de normalización de suelos plásticos, IP = Índice de plasticidad



IP (%)* P 200

100

[4.2]

P 200

=Porcentaje que pasa el tamiz No 200. Una vez que la posibilidad de un suelo colapsable ha sido detectada, los parámetros físicos de un suelo colapsable, pueden ser determinados a través de los siguientes métodos:


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a)

Por medio de criterios expuestos por diferentes autores .

La Tabla 4.3 presenta varios criterios que han sido propuestos por diferentes autores. Todos los criterios presentados sirven para la identificación de los parámetros físicos de suelos colapsables. Por su parte, Holtz & Hilf (1961) sugirieron que cuando un suelo loesial tiene un índice de vacíos después de la saturación, lo suficientemente grande como para exceder su límite líquido, entonces el suelo es susceptible al colapso. Luego, para el colapso:   LL

 saturado



[4.3]

Sin embargo, para suelos saturados: eo



 G s

Reemplazando [4.5] en [4.6], para suelos colapsables, se obtiene:

 

eo  LL Gs

Luego, el peso unitario seco

 d

 d 

[4.4] [4.5]

del suelo colapsable es:

G s  w



1  eo

G s  w

 

1  LL Gs

[4.6]

Tabla 4.3. Criterios para la identificación de suelos colapsables (Das, 1999). Investigador

Año

Denisov

1951

Criterio Coeficiente de Subsidencia (1)

K = 0.5-0.75 : Altamente colapsable K (1) = 1.0 : Francamente no colapsable K (1) = 1.5-2.0 : Suelos no colapsables.

Clevenger 1958 Si peso unitario seco es menor que 12 kN/m 3, el asentamiento será grande; si el peso unitarios seco es mayor que 14.1 kN/m 3, el asentamiento será pequeño. Priklonski 1952 K D(2) <0 : Suelos altamente colapsables K D(2)>0.5: Suelos no colapsables. (2) K D >1.0: Suelos expansivos. L

Sovietic Building Code



eo

1962

 e L

1  eo

Donde: e



Índice de vacíos natural e L Índice de vacíos en el límite líquido Para un grado de saturación natural menor que 60%, si L<0.1, entonces es un suelo colapsable. o



(3)

Feda 1964 Si K L  0.85 para S  100% , es un suelo subsidente. Benites 1968 Un ensayo de dispersión en el cual 2 g de suelo son dejan caer en 12 ml de agua destilada, y se toma el tiempo cronometra hasta la dispersión. Un tiempo de 20 a 30 segundos corresponde a suelos colapsables. Handy 1973 Loess de Iowa con contenido de arcilla (<0.002 mm): <16%: Probabilidad alta de colapso 16-24%: Probabilidad de colapso 24-32%: Probabilidad de colapso menor al 50% >32%: Usualmente seguro al colapso.


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Modificado después de Lutenegger y Saber (1988).

(1) (3)

K

índicede vacíosen el límitelíquido 

K L

índice de vacíosnatural

o

S

contenidode humedad natural en el límite plá stico 

índicede pla stici dad

LP

 

(2)

K D



IP

Donde: Contenido de humedad natural S Grado natural de saturación. LP Límite plástico. IP Índice de plasticidad  o









Para un valor promedio de G s de 2.65 pueden ser calculados varios valores límites de distintos valores del LL . La Tabla 4.4 presenta dichos valores.

Tabla 4.4. Valores límites de

 d

 d

para

para distintos valores del LL (Das, 1999).

Límite Líquido

Valores límites de

d

3

%

kN/m

10

20.56

15

18.60

20

16.99

25

15.64

30

14.48

35

13.49

40

12.62

45

11.86

Finalmente, la Figura 4.12 es la representación gráfica de la Tabla 4.4. Luego, para cualquier suelo, si la combinación de próximo a colapsar.

 d

y

LL cae

debajo de la línea límite, el suelo está

Das (1999) recomienda que la obtención de muestras inalteradas de suelo para la determinación del potencial de colapso y los pesos unitarios secos, debe ser realizada preferiblemente a partir de bloques de muestra cortados a mano; debido a que cuando la muestra es obtenida a partir de tubos de pares delgada, esta puede haber sufrido esfuerzos de compresión durante el muestreo. Sin embargo, si este último procedimiento es usado, los sondeos deberían ser hechos sin la presencia de agua.


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GEOTECNIA I

¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?


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ALTERNATIVAS DE SOLUCION PREVENCIÓN DE DAÑOS Para que se desencadene el colapso de un suelo tienen que concurrir dos circunstancias:  Que el suelo tenga la potencialidad de colapso, determinada mediante los ensayos y el reconocimiento geotécnico pertinente.  Que se den las condiciones de contorno adecuadas, tales como cambios de humedad, inundación o concentración de tensiones. Por tanto, para prevenirlo habrá que: 

 

       

Realizar una identificación geotécnica adecuada, que permita definir si estamos o no en presencia de suelos colapsables. Para ello es preciso disponer de un estudio geotécnico lo más completo posible, ya se trate de un estudio geotécnico para un gran edificio o para una vivienda unifamiliar. Minimizar la posibilidad de que se desarrollen las condiciones de contorno a las que antes hacíamos referencia. Adoptar medidas constructivas acordes al riesgo que representa la presencia del suelo colapsable (saneamiento flexible y colgado, drenajes adecuados, tipología de cimentación adecuada, preferentemente cimentaciones profundas ejecutadas sin agua de perforación, que superen los niveles colapsables y con consideración de rozamiento negativo, acerados amplios, mejoras de terreno, etc.) Generación del Colapso por Saturación Impermeabilización de suelos. Evitar la construcción de jardines, diseñando jardineras. Estabilización del terreno mediante procesos físicos o químicos. Compactación Dinámica. Técnicas de vibro sustitución con gravas. Inyecciones de impregnación, de compactación, etc. Técnicas de vibración por explosivos.

REPARACIÓN DE DAÑOS. La técnica habitualmente empleada como recalce de estructuras de edificación con patologías desarrolladas a consecuencia de algún fenómeno de colapsabilidad son los micropilotes. Dadas las particularidades de este tipo de suelos y su “sensibilidad” al agua, los micropilotes

empleados en estos recalces se perforan en seco, sin agua, la cual es sustituida por aire comprimido para ayudar en la perforación. Lógicamente en el desarrollo de las reparaciones de los daños generados por el colapso han de acometerse otras actuaciones específicas de la magnitud y el alcance de dichos daños, lo cual se determinará para cada caso.


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SUELOS EXPANSIVOS Definición. 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. En contraste, las arcillas están formadas de partículas muy pequeñas que generalmente tienen la forma de placas. Las propiedades de estas últimas son fuertemente influenciadas tanto por el tamaño pequeño de las partículas como por la gran superficie de estas al igual que por sus inherentes cargas eléctricas.

En la naturaleza existen varios minerales de arcilla diferentes, radicando la diferencia en su configuración química y estructural. Tres son los minerales de arcilla más comunes: caolinita, ilita y motmorrilonita. La composición química así como la estructura cristalina de estos minerales es diferente y por tanto la susceptibilidad a la expansión de estas arcillas es también diferente. Potencial de expansión de minerales de arcilla pura (Budge et al, 1964). Presion de sobrecarga kPa 9.6 19.1

Potencial de expansion (%) Caolinita Ilita Motmorrilonita Despreciable 350 1500 Despreciable 150 350


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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 aún más débiles. De esta manera, el agua penetra fácilmente en la motmorrilonita y separa sus partículas. Coduto (1994) afirma que según observaciones de campo, los mayores problemas ocurren en suelos con un alto contenido de motmorrilonita.

Existe otro tipo de fuerzas que influyen en el fenómeno de expansión. Estas son: 

Tensión superficial en el menisco 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.- Fuerza que 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.


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Por tanto, cualquier cambio en las fuerzas citadas anteriormente, produce que las arcillas expansivas, se expandan o contraigan en respuesta a tales cambios. Por ejemplo, si se considera una arcilla motmorrilonita 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 Figura. En la Figura (b), 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. Fig. 4.15 (c). En esta etapa el resorte ha sido liberado, y quizás será ahora forzado hacia fuera. Partículas de arcilla

Agua

(a) (b) (c) Expansión y contracción de una arcilla expansiva (Coduto, 2001).


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Cuando se trabaja con suelos expansivos, se denomina zona activa a la profundidad del suelo en la que se producen cambios periódicos de humedad.


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CIMENTACIONES SOBRE SUELOS EXPANSIVOS 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: Monótonos Estacional Accidental.   

MOVIMIENTOS MONOTOMOS EN SUELOSEXPANSIVOS Describen el cambio de un estado de equilibrio a una nueva.

MOVIENTOS ESTACIONALES: 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. 



EFECTOS ACCIDENTALES: Las causas accidentales de movimientos en suelos expansivos son las que se roducen cuando el suelo se satura por fugas de agua, del drenaje de agua potable, o por riego excesivo de áreas verdes. LA VEGETACION: es otra causa accidental; los arboles son capases de producir un estado profundo de desecación del suelo, que va mas alla d su limite de contraccion. Cerca de las raíces, el suelo se encuentra en estado más activo y propenso a ezpandirce.


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Cimentacioones sobtre suelos expansivos: Existen 2 maneras de proporcionar solucion a las cimentaciones sobre los suelos expansivos: 1. ACCIONES SOBRE EL SUELO : Subtitucion, estabilizacion: 2. ACCIONES SOBRE LA ESTRUCTURA : Cimentación: flexible, rígida y aislada.

ACCIONES SOBRE ESTRUCTURA : Existen diferentes tipos de cimentaciones superficiales: 1. Muros de carga sobre zapatas corridas. 2. Losa de cimentación que cubra toda el área para construir: Losa flexible Losa rígida  

LOSAS DE CIMENTACION EN ARCILLAS EXPANSIVAS . a larga plazo la cimentaccion es soportado por el suelo en su parte central por que al incrementarce la unidad bajo la cimentacion, el suelo forma una especie de domo (o plato invertido) al expandirce.


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MEDIDAS DE PREVENCIÓN Y/O SOLUCIÓN CUANDO SE TRABAJA CON SUELOS EXPANSIVOS . 











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. 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.


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GEOTECNIA I

PROBLEMAS DE LA INGENIERÍA POR LAS ARCILLAS Hemos visto, los daños debidos a arcillas jóvenes y compresibles, sin diferenciar las arcillas por su constitución mineral, de la cual depende muy directamente su sensibilidad al agua. En el caso, el mineral arcilloso es esencialmente la caolinita, que sabemos que es más bien estable estructuralmente; puede ser que no ocurra lo mismo con la montmorillonita. Se señala, por último, que debido a la propia naturaleza de las arcillas afectadas, se puede desarrollar, en el transcurso de un periodo lluvioso, un efecto opuesto de dilatación que tienda a volver a cerrar las grietas (no sin dificultades para la reparación).

El Problema en La Ingeniería es evidentemente los lugares en las que se generaron estas arcillas. Dichos lugares se encuentran actualmente en zonas muy húmedas, zonas como los deshielos que tuvieron lugar al final de la glaciación, hayan producido un lavado progresivo de la sal de estas arcillas, desestabilizando por tanto su estructura interna. Ahora bien, estas arcillas sin la sal que estabilizaba su estructura, se mantienen porque la disposición de sus partículas es la correcta, pero si algo como vibraciones, pequeños corrimientos, presión hidrostática descompensada, desestabiliza este precario equilibrio y rompe la estructura, el sólido se torna líquido, y pueden dar lugar a catástrofes como los problemas en la Ingeniería. 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?

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¿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?


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Obras Civiles y Mineros 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. Por ello, es necesario conocer cómo va a reaccionar el suelo cuando el ser humano actúa en él. A ello se dedica la Mecánica del Suelo. Por ejemplo, todo el peso de un edificio y de lo que contiene en su interior, va a parar a unos elementos denominados “cimentaciones”que lo transmiten al suelo sobre el

que descansan, generando tensiones internas, tal como se puede ver en la página siguiente. Seránecesario saber antes de construir el edificio, si ese suelo va a resistir todo ese peso. 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 El comportamiento de los materiales debe asegurar la evolución del proyecto según lo esperado seguro y económico: proyectos livianos, proyectos pesados (casas, edificios pequeños).

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ESTRUCTURAS. Se Aplica diseños de fundaciones, edificios, puentes, etc.

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HIDRÁULICA. Es el diseño de obras hidráulicas (canales, presas, reservorios de almacenamiento, tuneles, etc.) flujo atravez de medios porosos, hidráulica de ríos, puertos, etc.

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REPRESAS. La elección de la ubicación y tipo de muro, estabilidad de laderas, filtraciones, material, estribos, etc.

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SANITARIA. Diseño de redes de alcantarillado sanitario y pluvial (zangas, entibados), Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales (estudio del suelo del lecho, permeabilidad de los estratos), diseño de rellenos sanitarios, etc.

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CARRETERAS. Estudios geotectónicos de suelo en general de toda el área donde se pretende construir la carretera, estabilidad de taludes, compactación de suelos, etc.


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TUNELES Y EXCAVACIONES. En el caso de túneles es necesario conocer cómo va a reaccionar el suelo cuando se perfora, y quéelementos de sostenimiento hay que introducir mientras se construye para evitar su hundimiento. Estabilidad de las Paredes. Controlar el agua y sugerir métodos de Escavaciones.

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CORTE Y RELLENO. Establece la pendiente de un camino o trazado lineal. Identificar los materiales alo largo del trazado. Utilizacion y abandono de la obra. Estabilidad de taludes en el largo plazo, etc.

OBRAS MINERAS -

PERFORACIONES DIAMANTINAS.

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EN LABORES DE EXPLORACIÓN, DESARROLLO Y EXPLOTACIÓN

PROBLEMAS EN OBRAS MINERAS A. En perforaciones diamantinas    

Impide la recuperación al 100% de los testigos. En zonas de fallas tiende a amarrar las tuberías. Pérdida de tiempo. Pérdida de materiales (tuberías y otros).


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Perforaciones Diamantinas en una galería de una Mina Subterranea

B. EN LABORES DE EXPLORACIÓN, DESARROLLO Y EXPLOTACIÓN   

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Es dificultoso poder atravesar la zona. Pérdida 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.). Pérdida o deterioro de materiales (tuberías, barrenos, máquina, percheros, maderas, cimbras, etc.). Genera deslizamiento en los tajos abiertos (ejemplo: tajo Raúl Rojas).


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Cimbra Metálicas para el soporte de las Arcillas de una Falla

C. EN TAJOS ABIERTOS. 

Deslizamientos de Taludes por efecto de las Arcillas

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Roturas en Taludes Mineros

PROBLEMAS EN OBRAS CIVILES: A. En Carreteras. 

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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 abombamiento de las arcillas.


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Deslizamientos de laderas por desprendimientos de Ar cil las

B. EN CONSTRUCCIONES. 

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Los suelos arcillosos pueden inclinar edificios y diversas construcciones hechas. Inestabiliza Presas, PAD de lixiviación, Canchas de Relave, Canchas de Desmonte, etc.


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Hinchamiento

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Las arcillas llamadas "expansivas" entrañan un peligro para la cimentación.

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Formas típicas de fisuraciones en viviendas unifamiliares con cimentaciones superficiales sobre suelo arcilloso en periodo de sequía. Perfiles hídricos de suelos arcillosos. Movimientos asociados.Contracción. Hinchamiento. En periodo normal. En periodo de sequía. W = Contenido en agua del suelo.


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Cuando los suelos arcillosos recuperan el agua, su volumen aumenta: la cimentación se levanta.

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Esta última observación nos lleva a decir algunas palabras de esta patología inversa, que se da en estos mismos suelos arcillosos de montmorilonita. Se manifiesta porque el edificio constituye una cobertura del terreno, que lo aísla de las variaciones climáticas estacionales, sobre todo de la evaporación en período caluroso y seco (pero sin que se trate, en esta ocasión, de sequía excepcional).


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DAÑOS PRODUCIDOS POR EXPANSIÓN DE SUELOS EN POLICLÍNICO MOQUEGUA SAN ANTONIO

C. En Tuneles. -

Un ejemplo de colapso de un túnel se muestra en el hundimiento del túnel de maniobras de la L5 del metro de Barcelona.

D. 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.


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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.

El Pr ofesional de la Ingeni ería geológica 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 por el hinchamiento de las arcillas. 2. Por donde trazar una via 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


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CONCLUSIONES

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Se llegó a conocer a grosso modo las diferentes propiedades mecánicas de las diversas arcillas.

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Nos instruimos en pequeñas pautas acerca del reconocimiento de dichas arcillas.

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Conocemos de algunos de los problemas que causan las arcillas en la Ingeniería.

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Hay que señalar que la patología en la cimentación de las edificaciones, provocada por la presencia de arcillas expansivas, no es un fenómeno imprevisible. Las consecuencias, en caso de sequía prolongada, pueden ser calamitosas.



Los criterios geológicos-geotécnicos deben tenerse en cuenta en la solución de los diferentes problemas a causa de los suelos arcillosos en la ingeniería



El Profesional de la Ingeniería geológica tiene formación Científica y Técnica aplicada a la solución de los problemas Geológicos causadas por las Arcillas que afectan a la Ingeniería.


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RECOMENDACIONES

 En zonas de falla, es necesario el armado de buenos cuadros (bien

topeados, encostillados, enrejados, encribados y sus marchavantes, y si es necesario armar castillos.  Monitorear los deslizamientos en los tajos abiertos y carreteras, analizar

sus causas, investigar sus comportamientos, para poder evitarlos.  Realizar estudios de Mecánica de Rocas y Suelos por aquella zona por la

cual va a pasar la carretera, reemplazando (si lo hay), los materiales arcillosos; entonces de esta manera evitaremos el abombamiento de las carreteras asfaltadas.  Para cimentación de construcciones, los terrenos de montmorillonita es

uno de los suelos en los que se deben tomar más precauciones debido a su carácter expansivo.


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Arcillas - Problemas en Ingenieria...

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