INTRODUCCIÓN Los casos de fallas y colapsos colapsos en estructuras estructuras dependientes dependientes de cimentacione cimentacioness que se han producido en el país, son debido en parte al desconocimiento de las características y el comportamien comportamiento to de cierto tipo de suelos suelos que son usado para estos fines, y por otro lado a la incompetencia o negligencia, que se refleja generalmente en la incapacidad de hacer lo que es requerido requerido para un proyecto determinado determinado,, tal como en muchos casos hemos establecido después de haberse suscitado el problema. Extensas Extensas áreas de nuestro país que presentan presentan suelos arenosos arenosos colapsables, colapsables, expansivos expansivos y de relleno rellenoss sueltos sueltos,, etc., etc., que deben deben ser estudi estudiado adoss conveni convenient enteme emente nte para para utilia utiliarlos rlos como soporte en obras de ingeniería de poca o gran envergadura, envergadura, dado a que presentan presentan prob proble lema mass prin princi cipa palm lmen ente te de defo deform rmac aci! i!n n por por camb cambio io de volu volume men n del del suel suelo, o, casi casi siem siempr pree por por pres presen enci ciaa de filt filtra raci cion ones es de agua agua en exce exceso so del del cont conten enid idoo de hume humeda dad d natural. Estos suelos han llamado la atenci!n también en muchas partes del mundo y han sido materia de numerosas numerosas presentaciones presentaciones en "ongresos #nternacionales #nternacionales y reuniones reuniones técnicas técnicas desde hace varias décadas, así como en numerosas numerosas conferencias conferencias nacionales, nacionales, lo que ha permitido permitido adquirir adquirir algunos conocimientos conocimientos para caracteriar caracteriar estos suelos y manejarlos manejarlos con cuidado para que no producan producan da$os en las futuras futuras obras de ingeniería que se construyan en el país.
1. COLAPSO DE SUELOS ARENOSOS POR PRESENCIA DE SALES: 1.1. 1.1. Defi Definic nición ión:: %eneral %eneralment mentee son suelos de origen origen e!lico e!lico,, cuya cuya estruc estructura tura está ligeramente cementada por sales acarreadas por la brisa marina, con lo cual adquieren una resistencia aparente. &on suelos en estado metaestable o con estructura inestable, que generalmente se presentan en áreas áridas. En la actual actualida idad d se incluye incluyen n en este este grupo grupo de suelos suelos a aquello aquelloss fuerte fuertement mentee cemen cementa tados dos por por sale saless solub soluble les, s, que que sufre sufren n grande grandess asenta asentami mien ento toss por por la lixiviaci!n de dichos materiales. 1.2. Características generaes: Los efectos de este colapso pueden manifestarse en forma de asientos asientos bruscos del terreno de carácter carácter centimétrico centimétrico hasta decimétricos. 'ás raramente puede darse asientos de alg(n metro y en casos extraordinarios de decenas de metros. En ausencia de agua, estos suelos cementados se mantienen estables y de modo localiado pueden alcanar una débil a moderada resistencia. #ncluso pueden definir niveles de encostramien encostramiento to que proporcionen valores relativament relativamentee altos de peso por unidad de área. En presencia de agua, el cemento interpartículas se disuelve y el suelo su elo pierde la escasa capacidad portante que tenía y colapsa. &i además el suelo soporta la carga correspondiente a una estructura el colapso se acent(a, y dicha estructura tenderá a colapsar, a asentar bruscamente, produciendo produciend o importantes patologías. Las cimentaciones más recomendables sobre este tipo de suelos son las cimenta cimentacio ciones nes profun profundas, das, que deben deben tender tender a sobrepas sobrepasar ar los niveles niveles colapsables. )na alternativa a esta tipología para casos de suelos con potencial bajo o medio de colapso, puede ser la cimentaci!n mediante losa de suficiente rigide, rigide, 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 máximo la posible posible 2
1. COLAPSO DE SUELOS ARENOSOS POR PRESENCIA DE SALES: 1.1. 1.1. Defi Definic nición ión:: %eneral %eneralment mentee son suelos de origen origen e!lico e!lico,, cuya cuya estruc estructura tura está ligeramente cementada por sales acarreadas por la brisa marina, con lo cual adquieren una resistencia aparente. &on suelos en estado metaestable o con estructura inestable, que generalmente se presentan en áreas áridas. En la actual actualida idad d se incluye incluyen n en este este grupo grupo de suelos suelos a aquello aquelloss fuerte fuertement mentee cemen cementa tados dos por por sale saless solub soluble les, s, que que sufre sufren n grande grandess asenta asentami mien ento toss por por la lixiviaci!n de dichos materiales. 1.2. Características generaes: Los efectos de este colapso pueden manifestarse en forma de asientos asientos bruscos del terreno de carácter carácter centimétrico centimétrico hasta decimétricos. 'ás raramente puede darse asientos de alg(n metro y en casos extraordinarios de decenas de metros. En ausencia de agua, estos suelos cementados se mantienen estables y de modo localiado pueden alcanar una débil a moderada resistencia. #ncluso pueden definir niveles de encostramien encostramiento to que proporcionen valores relativament relativamentee altos de peso por unidad de área. En presencia de agua, el cemento interpartículas se disuelve y el suelo su elo pierde la escasa capacidad portante que tenía y colapsa. &i además el suelo soporta la carga correspondiente a una estructura el colapso se acent(a, y dicha estructura tenderá a colapsar, a asentar bruscamente, produciendo produciend o importantes patologías. Las cimentaciones más recomendables sobre este tipo de suelos son las cimenta cimentacio ciones nes profun profundas, das, que deben deben tender tender a sobrepas sobrepasar ar los niveles niveles colapsables. )na alternativa a esta tipología para casos de suelos con potencial bajo o medio de colapso, puede ser la cimentaci!n mediante losa de suficiente rigide, rigide, 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 máximo la posible posible 2
afecci!n afecci!n del agua al terreno sobre el que se dispone la cimentaci!n cimentaci!n +saneamientos flexibles, colgados, realiaci!n de pruebas de saturaci!n, etc.. -l contacto con el agua sufren cambios bruscos en su volumen por efecto del lavado de sus cementantes +sales, debido al reacomodo de sus partículas. "uando el material material cementante cementante constituye constituye gran parte de de la matri matri del del suelo, la lixiviaci!n también también genera grandes reducciones de su volumen.
#magen que muestra muestra los enlaces enlaces temporales temporales formado por sustancias sustancias salinas salinas entre partículas partículas cuya desaparici!n puede provocar el colapso. !"ente: D"#e$ %1&'()* +as,-s,e %1&/)
COLAPSA0ILIDAD DE UN SUELO RECEPTOR DE CARAS EN NUESTRO PAS: )na característica característica esencial de nuestros suelos colapsables es que tienen una densidad baja y un grado de saturaci!n también bajo, todo parece indicar que al disminuir el grado de saturaci!n la susceptibilidad al colapso es mayor, esta esta es la ra!n por la que los problemas problemas tienden tienden a aparec aparecer er con mayor mayor frecuencia en las onas de fuerte desecaci!n, también exhiben una cohesi!n temp tempora orall como como resul resulta tado do de la pres presenc encia ia de mate materi rial ales es ceme cementa ntante ntess tale taless como el yeso y el carbonato de calcio. La cohesi!n aparente es el resultado de 3
la resistencia friccional al corte en la cual los esfueros normales efectivos provienen de la presi!n de poro negativa que es la succi!n en el suelo. En todo caso la condici!n condici!n de clima árido o de intensa evaporaci!n evaporaci!n superficial superficial no es indispensable, ya que han ocurrido casos de colapso cuando se humedecen suelos también en regiones no áridas. En general, los cambios de los factores externos, externos, la humedad principalmente principalmente y la naturalea del electrolito electrolito que interviene en el fen!meno, son los que de una forma u otra, afectan la matri succi!n succi!n del suelo +diferencia entre la presi!n presi!n del aire aire y del agua, agua, a los los enlaces enlaces y pueden pueden causar causar el cambio cambio brusco brusco de volumen volumen que se denomina denomina cola colaps pso. o.
La causa causa dese desenca ncaden denan ante te
del del colap colapso so es es la pre presen senci ciaa de agu agua, a,
conjuntamente con un esfuero significativo aplicado. Los mecanismos de colapso pueden variar en funci!n del contenido contenido mineral!gico de las partículas y de sus enlaces, del tipo de estructura, del tipo de deposici!n del material, del contenido de humedad humedad y otros factores de naturalea electroquímica. En la mayorí mayoríaa de los casos casos de colapso colapso investi investigad gados os por noso n osotro tross hasta hasta la fecha son suelos con estructura estructura panaloide y granos redondeados redondeados unidos entr entree si por por algu alguna na clas clasee de ceme cement ntac aci! i!n n . En todo todoss los los casos casos,, esta esta cementaci!n cementaci!n era susceptible susceptible de ser disuelta disuelta cuando el suelo absorbía absorbía agua. El mecanismo de colapso es l!gicamente un derrumbe de los granos hacia los vacíos, precisamente cuando desaparece la cementaci!n entre ellos. -sí hemos
detectado
que
los mecanismos
de
colapsos
más
frecuentes en suelos granulares secos son la disoluci!n de la cementaci!n por sales solubles o la destrucci!n, de un ordenamiento paralelo de agregados de arcilla residual que enlaaban a los granos. En suelos granulares semisaturados es la pérdida de la resistencia al corte temporal entre los granos dada por la tensi!n capilar negativa entre ellos. En arci arcilla llass el meca mecanis nismo mo es es la reor reorien ienta taci ci!n !n de
las partículas desde una
estructura floculada hacia formas más dispersas. En nuestro país han ocurrido casos de fallas en suelos colapsables que los 4
hemos estudiado detenidamente en /isco
La 0oya , y (ltimamente en
1entanilla entre otros
nos
numerosos,
que
han permitido verificar
algunos métodos simples de identificaci!n de estos suelos, los mismos que se indican en la Ta3a I y la %fig"ra c-n criteri- #e i#entificación #e s"e-s c-a4sa3es %U.S.0.R.)), estableciéndose además una comparaci!n entre la cantidad de sales solubles en los suelos colapsables de 1entanilla, /isco y La 0oya con la agresividad sulfática correspondiente, con el fin de probar que un suelo altamente colapsable también puede presentar severa agresividad sulfática al mismo tiempo que suelos con insignificantes cantidades de sales solubles +caso de
1entanilla, no
necesariamente tienen que ser altamente agresivos al cemento y menos por esta causa originar asentamientos importantes como los que se presentaron en este lugar, ya que de las investigaciones técnicamente llevadas a cabo se determin! que en la mayoría de los casos los asentamientos, en los suelos sueltos de origen coluvial de 1entanilla, se habían producido por graves defectos constructivos tales como cimentaci!n sobre rellenos no compactos y conexiones domiciliarias de servicios de agua y desag2e con graves
5
defectos
de instalaci!n y calidad de sus materiales %fig"ra #e saes
s-"3es 5s. agresi5i#a# s"f6tica en -s s"e-s c-a4sa3es est"#ia#-s).
3igura con criterio de identificaci!n de suelos colapsables +).&.4.5.
3igura de sales solubles vs. -gresividad sulfática en los suelos colapsables estudiados
+ANI!ESTACIÓN DE PRO0LE+AS EN EDI!ICACIONES SO0RE SUELOS COLAPSA0LES:
"uando ocurre el colapso del suelo sobre el que se emplaa un edificio, pueden producirse da$os en su estructura. Estos da$os se manifiestan de modo semejante a los generados por asientos diferenciales +3undamentalmente grietas y*o fisuras a 678
Esquema
de giro experimentado por 9 '!dulos de viviendas.
:ipología de lesiones en tabiques perpendiculares a p!rticos.
En algunos casos los colapsos pueden llegar a producir asientos del terreno que se reflejan sobre infraestructuras superficiales +líneas férreas, autovías, etc. ;e modo evidente, generando da$os importantes ver fotografía siguiente.
3otografía< ;eformaci!n en vías a consecuencia de un colapso de suelo. Línea férrea En algunos casos extraordinarios de colapso de suelos, el hundimiento de éste puede =tragarse> literalmente algunas construcciones ver la siguiente 3otografía.
3otografía< "olapso 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<
?ue no se haya identificado previamente su existencia en el suelo que servirá de apoyo a una estructura.
?ue se producan 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.
&istema constructivo no adecuado a las características del subsuelo de la parcela +saneamientos, drenaje o tipología de cimentaci!n inadecuados
1./. L-cai7ación naci-na<
Estos se encuentran en las regiones áridas y semiáridas. Los dep!sitos e!licos, coluviales, residuales, tufos volcánicos pueden ser colapsables.
En Lima, se han encontrado estos tipos de suelos en la ciudadela -ntonia
'oreno de "áceres.
En otros departamentos y de manera más predomínate a nivel nacional<
Are8"i4a* +a9es* +-8"eg"a. 1.. Cas- #e faas -c"rri#as en e 4aís<
;ISTA DE UN SUELO COLAPSA0LE EN LA
DESLI>A+IENTO PRODUCIDO POR EL COLAPSO DEL SUELO EN LA
CANAL DE IRRIACION LA CANO* CRU>A SUELOS COLAPSA0LES PROTEIDO CON EOSINTETICOS
EDI!ICACIONES ;ICTI+AS DE SUELOS ARENOSOS COLAPSA0LES EN ARE?UIPA
COLAPSO DE ;IA CI+ENTADO SO0RE SUELOS ARENOSOS +O?UEUA
COLAPSO DE SUELOS ARENOSOS POR PRESENCIA DE SALES +ETODOS DE ENSA=OS REALI>ADOS /ara la evaluaci!n del potencial de colapso se procede de las dos formas siguientes< En Ca@4-: •
Ensayo de "arga ;irecta con &aturaci!n.
En e La3-rat-ri-: •
Ensayo de "olapso.
El =Ensayo de colapso de suelos>, tiene por objeto determinar la magnitud del colapso unidimensional que se produce cuando se inunda un suelo semisaturado. &e define como colapso a la disminuci!n de altura que experimenta una probeta de suelo en unas determinadas condiciones de densidad y humedad, confinada lateralmente y sometida a una presi!n vertical constante, al ser inundada. "omo resultado del ensayo se determina el índice de colapso, que es el valor del colapso determinado como el porcentaje de disminuci!n de altura que experimenta la probeta al ser inundada, una ve alcanado el equilibrio bajo la acci!n de la presi!n vertical seleccionada, con respecto a la altura de la probeta en el momento de proceder a la inundaci!n. Este procedimiento se puede utiliar para la determinaci!n de la magnitud del colapso que se produce para una tensi!n vertical determinada, pero también del potencial porcentual de colapso en un suelo, que es el valor del colapso determinado como el porcentaje de disminuci!n de altura que experimenta la probeta al ser inundada, una ve alcanado el equilibrio bajo la acci!n de la presi!n vertical seleccionada, con respecto a la altura inicial de la probeta.
E
E;ALUACION DEL COLAPSO INSITU CON PRUE0A DE CARA SATURADA
E
ENSA=OS = CRITERIOS PARA EL ANALISIS DEL COLAPSO /ara determinar el potencial de colapso de estos suelos, existen varios métodos cuantitativos y cualitativos que se aplican dependiendo del tipo de suelo. En el texto se hará menci!n a los métodos realiados en el estudio de suelos. +ETODO DE BNIT. 4asados en los experimentos de -beljer +@A6B, se coloca la muestra en el od!metro con su humedad natural para su posterior saturaci!n a una presi!n fija de 9:*
2
¿
, con los resultados obtenidos se grafica relaci!n de vacíos contra
logaritmo de la presi!n.
•
+ETODO DE
&e realia dos ensayos en paralelo de la misma muestra, la primera con la humedad natural de la muestra y la segunda saturada desde el principio, la diferencia entre la relaci!n de vacíos inicial y la curva a humedad natural representa el asentamiento debido a la carga y la diferencia entre las dos curvas correspondientes al colapso +ob. "it.
•
+ETODO DE I00S.
Es un método cualitativo basado en una gráfica de limite líquido contra densidad natural seca y contiene una curva límite de colapsabilidad. La ona colapsable comprende los suelos de baja densidad natural, por consiguiente la humedad de saturaci!n es superior a la humedad en el límite líquido, lo cual produce una disminuci!n de la plasticidad y un mayor asentamiento. En la ona no colapsable los suelos son de alta densidad natural y la humedad de saturaci!n es menor o igual a al humedad en el límite líquido, permaneciendo el suelo en un estado plástico y manteniendo así su resistencia al desliamiento.
SOLUCIONES PARA CI+ENTACIONES EN ESTOS SUELOS: /ara que se desencadene el colapso de un suelo tienen que concurrir dos circunstancias< ?ue el suelo tenga la potencialidad de colapso, determinada mediante los ensayos y el reconocimiento geotécnico pertinente. ?ue se den las condiciones de contorno adecuadas, tales como cambios de humedad, inundaci!n o concentraci!n de tensiones. POR TANTO* PARA PRE;ENIRLO A0R ?UE: 5ealiar una identificaci!n geotécnica adecuada, que permita definir si estamos o no en presencia de suelos colapsables. /ara 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. 'inimiar la posibilidad de que se desarrollen las condiciones de contorno a las que antes hacíamos referencia. -doptar medidas constructivas acordes al riesgo que representa la presencia del suelo colapsable +saneamiento flexible y colgado, drenajes adecuados, tipología de cimentaci!n adecuada, preferentemente cimentaciones profundas ejecutadas sin agua de perforaci!n, que superen los niveles colapsables y con consideraci!n de roamiento negativo, acerados amplios, mejoras de terreno, etc. %eneraci!n del "olapso por &aturaci!n &aneamiento y drenaje proyectados. #mpermeabiliaci!n de suelos Existencia de solados perimetrales Evitar la proximidad de piscinas.
)so de geomembrana C;/E EO+E+0RANAS DPE % high-density polyethylene) Las %eomembranas de /olietileno están específicamente dise$adas para condiciones expuestas. Do contienen aditivos o rellenos que puedan evaporarse y causar deterioro a medida que pasa el tiempo. :ienen una aplicaci!n generaliada como elemento de estanqueidad en la contenci!n de líquidos, revestimientos en pilas de lixiviaci!n, en dep!sitos, en canales, en embalses, en reservorios y en estanques de almacenamiento entre otras. Las geomembranas /LF:EG son termofusionables y fabricadas con resinas vírgenes de polietileno, especialmente formuladas y certificadas. &on resistentes a una amplia gama de productos químicos, incluyendo ácidos, sales, alcoholes, aceites e hidrocarburos, pudiendo estos actuar concentrados y*o diluidos a diferentes temperaturas. -demás de su excelente resistencia al ataque de agentes químicos y a los rayos )ltravioleta +)1 con 9HI negro de humo, presentan inmejorables propiedades mecánicas, su bajísima impermeabilidad le permite actuar como barrera al paso de fluidos y gases, alta fuera tensible y excelente rigide. EO+E+0RANAS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD %DPE) ;isponible en superficie lisa y texturada en espesores desde J.7 a 9.7 mm, con ancho máximo de K,7 mts, en largos seg(n requerimiento. "on la texturiaci!n de la superficie de la geomembrana, nuestras láminas proveen una excelente resistencia a la fricci!n. Densi#a# @íni@a #e (*&1 gr.Fc@G. E5itar a c-nstr"cción #e 9ar#ines* •
#iseHan#- 9ar#ineras. Esta3ii7ación #e terren-
@e#iante
4r-ces-s físic-s - 8"í@ic-s. Los métodos que mejoran la resistencia del suelo incluyen procesos físicos y químicos que aumentan la cohesi!n y*o la fricci!n de la mecla sueloproducto estabiliante o del suelo modificado.
'étodos para mejorar la resistencia del suelo< +t-##nyecciones o uso de químicos.
'agmaficaci!n
"ongelaci!n Electrosmosis
Explosivos
;enta9as Des5enta9as Endurecen el suelo y pueden La disminuci!n de cementar la superficie de
permeabilidad puede ser un
falla. "onvierte el suelo en roca
efecto negativo.
utiliando rayos especiales desarrollados por la industria espacial. Endurece el suelo al congelarlo 5educen el contenido de agua. 3ragmenta la superficie de falla.
&u utiliaci!n en la actualidad es solamente para uso experimental Efectos no permanentes. )tiliaci!n para estabiliaci!n no permanente. &u efecto es limitado y puede tener efectos negativos.
C-@4actación Din6@ica. La "ompactaci!n ;inámica es una técnica cuyo fin es mejorar las propiedades mecánicas del suelo mediante el efecto de impactos de alta energía causados por la caída de pesos de @J a H7 t +com(nmente. Esta técnica fue inventada y desarrollada por Louis 'enard a finales de los a$os BJ. ;esde entonces, la compa$ía 'enard ha llevado a cabo con ella cientos de proyectos alrededor del mundo,
como
estructuras
portuarias,
aeroportuarias, industriales, almacenamiento pesado, edificaci!n, etc. El principio básico de la técnica de la "ompactaci!n ;inámica consiste en la transmisi!n de ondas de compresi!n y de corte de muy alta energía con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del suelo al densificar e incrementar con ello su capacidad de carga. /or lo general dicho proceso va ligado a un control geotécnico para verificar la evoluci!n y el resultado del tratamiento.
La "ompactaci!n ;inámica puede emplearse en todos los suelos granulares. El tratamiento se adapta particularmente bien a suelos de composici!n variable o rellenos heterogéneos inertes con un contenido importante de bloques, fuente de falso rechao en otras soluciones de refuero de suelos +como inclusiones o columnas de grava. La "ompactaci!n ;inámica se emplea tanto en suelos no saturados como en suelos localiados bajo el nivel freático. Tcnicas #e 5i3r-s"stit"ción c-n gra5as. La vibrocompactaci!n y vibrosustituci!n son técnicas de mejora de suelos mediante vibraci!n profunda. - diferencia del uso de vibradores en cabea, externos al terreno, el uso de vibradores profundos garantia que la mejora tendrá un alcance muy superior en el terreno. La 1ibrocompactaci!n es aplicable en suelos granulares +generalmente con un contenido en finos inferior al @JI. La mejora del terreno se consigue por la reducci!n de huecos entre partículas gracias a la vibraci!n producida por el vibrador. ;urante el tratamiento, que se ejecuta en forma de malla +en planta, se obtiene una compactaci!n del terreno que deriva en una disminuci!n del espesor de la capa tratada, espesor que habrá que aportar y compactar si hay que recuperar la cota de partida In$ecci-nes #e i@4regnación* #e c-@4actación* etc. Tcnicas #e 5i3ración 4-r eJ4-si5-s. REPARACIÓN DE DAKOS. La técnica habitualmente empleada como recalce de estructuras de edificaci!n con patologías desarrolladas a consecuencia de alg(n fen!meno de colapsabilidad son los micropilotes. ;adas las particularidades de este tipo de suelos y su =sensibilidad> al agua, los micropilotes empleados en estos recalces se perforan en seco, sin agua, la cual es sustituida por aire comprimido para ayudar en la perforaci!n. L!gicamente en el desarrollo de las reparaciones de
los da$os generados por el colapso han de acometerse otras actuaciones específicas de la magnitud y el alcance de dichos da$os, lo cual se determinará para cada caso CO+ENTARIOS !INALES = CONCLUSIONES - menudo cuando ocurre un desastre, la falla coloca a los propietarios, proyectistas y constructores en la posici!n de adversarios, entonces siempre cualquier esfuero de soluci!n es orientado hacia la protecci!n de intereses econ!micos o prácticos lo que no siempre conduce a una buena determinaci!n de las causas reales de la falla y menos a su adecuada soluci!n, más a(n cuando existe la influencia política, que en nuestro medio muchas veces se ha dado, orientando a la opini!n p(blica hacia causas o hechos que justifican una mala ejecuci!n de la obra o que enmascaran vicios de construcci!n. Los #ngenieros "iviles pueden prevenir las fallas que ocurren en las cimentaciones si hay compromiso o un formal acercamiento al problema y si se puede comprender bajo qué circunstancias fallan los suelos permitiendo que se desarrollen condiciones de riesgo que resultan muchas veces después en catástrofes, esto ha sido del suelo, sea colapsable, expansivo o de cualquier otra tipo. soluci!n que vienen a ser una necesidad en la práctica de la ingeniería del futuro, dado a que los ingenieros civiles deben proyectar obras estables y econ!micas, considerando las necesidades interactuantes del medio ambiente y los limitados recursos econ!micos que disminuyen actualmente, todo lo cual impone a nuestra profesi!n la obligaci!n de ejecutar buenos proyectos apoyados en estudios técnicamente bien ejecutados, por profesionales id!neos y con la experiencia necesaria para resolver los variados problemas que presentan los suelos en las diferentes re guiones del /er(.
SUELOS DISPERCI;OS = SUELOS LI+OSOS
1. INTRODUCCIÓN Los suelos dispersivos son un particular tipo de suelo que se pueden encontrar en casi cualquier lugar del mundo, éste presenta un inusual comportamiento cuando se encuentra saturado o en presencia de flujos de agua. El mayor n(mero de da$os por suelos dispersivos se presentan en las obras de contenci!n, terraplenes y estructuras donde el agua siempre está presente. Es indiscutible la necesidad del estudio de los suelos como base para desarrollar cualquier proyecto ingenieril. )n correcto análisis de éstos puede prevenir eventos posteriores, que bien pueden ser por el mantenimiento extra requerido o un colapso total de la estructura que pueda desencadenar un hecho catastr!fico. Los suelos dispersivos no pueden ser identificados con una clasificaci!n visual o con índice de normas de ensayo, tales como el análisis granulométrico o los límites de -tterberg. /or lo tanto, a causa de esto, han sido ideados otros ensayos. Las arcillas deben ser ensayadas por características dispersivas como un procedimiento de rutina realiable durante los estudios para presas de tierra y otras estructuras hidráulicas en las cuales éstas puedan ser empleadas. En el pasado, los suelos arcillosos fueron considerados altamente resistentes a la erosi!n al fluir el agua, pero en los (ltimos a$os tienden a ser más claramente sobreentendido que en la naturalea existen ciertas arcillas que son altamente erosionables. Estos suelos son conocidos como suelos formados por arcillas dispersivas. 2. +ARCO TEÓRICO 2.1. SUELOS DISPERSI;OS &on aquellos suelos que por la naturalea de su mineralogía y la química del agua en ellos, son susceptibles a la separaci!n de las partículas individuales y a la posterior erosi!n a través de grietas en el suelo bajo la infiltraci!n de agua.
&on suelos altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos de flujo de agua, incluso en algunos casos con el agua en reposo. Esta propiedad caracteria a los suelos con contenido de sales solubles. El agua es el agente que produce éste fen!meno al disolver las sales y forma escamas de suelo que se dispersan lámina tras lámina. -l final el suelo se diluye originando espacios vacíos provocando el hundimiento de la superficie. ste fen!meno es propio de las onas con las arenas arcillosas solubles.
2.1.1. ARCILLAS DISPERSI;AS Los suelos dispersivos son esencialmente arcillosos, estos suelos se han considerado muy resistentes a la erosi!n debida a flujos de agua, sin embargo, se reconoce la existencia de suelos arcillosos altamente erosionables en la naturalea. -lgunos suelos de arcilla natural se dispersan en presencia de un flujo de agua relativamente puro, y por tanto, son altamente susceptibles a la erosi!n o tubificaci!n bajo el flujo del agua. &on suelos en que el estado físicoquímico de su fracci!n arcillosa es tal que en presencia del agua relativamente pura las partículas individuales de arcilla se de floculan y se rechaan entre sí.
La tendencia a la erosi!n por dispersi!n en un suelo dado, depende de variables tales como la mineralogía y la química de la arcilla, así como las sales disueltas en el agua en los poros del suelo y en el flujo de agua erosionable. :al flujo es de lento movimiento y erosiona rápidamente las arcillas, incluso más rápido en comparaci!n con suelos no cohesivos, arenas finas y limos. Las placas de arcilla individuales son separadas y arrastradas por el flujo de agua. Esta erosi!n puede comenar en una grieta seca, una hendidura por asentamiento, una fractura hidráulica u otro canal de alta permeabilidad en una masa de suelo..
2.1.2. PROPIEDADES ?U+ICAS La dispersi!n es un proceso por el cual las partículas de suelo +en este caso específico, de arcillas de muy peque$as dimensiones, ven disminuidas sus fueras de atracci!n molecular por efecto de la presencia de iones de sodio, lo que las vuelve susceptibles al arrastre o la diluci!n. Los suelos dispersivos incluyen s!lo esos suelos donde la fracci!n coloidal +partículas de arcilla menores a J.9 micras se deflocula y entra en dispersi!n. Esto como resultado de las fueras de repulsi!n +cargas eléctricas superficiales entre las partículas de arcilla del suelo que exceden las fueras de atracci!n +fueras de 1an ;er Maals. "uando esto ocurre los coloides se repelen unos a otros y se mueven dentro de la soluci!n, donde permanecen en suspensi!n y la soluci!n no esclarece con el tiempo.
Este fen!meno físicoquímico de la repulsi!n de arcilla es la base de los suelos dispersivos, lo cual constituye una causa particular en la formaci!n de procesos de erosi!n.
2.1.G. PROPIEDADES EOLÓICAS Los suelos dispersivos son derivados de rocas con bajo calcio y magnesio, pero con un alto contenido de sodio, como la albita y la anfibolita. Elges, observ! que la mayoría de los suelos dispersivos contienen esmectita o ilita, con materiales de caolinita que generalmente son no dispersivos. El sodio en los suelos, puede ser derivado del envejecimiento natural de ciertos tipos de rocas, de materiales depositados bajo condiciones marinas o salinas, o de disoluci!n, filtraci!n y deposici!n de sodio en el perfil de suelo, durante procesos geomorfol!gicos. Esto obviamente influye en el tipo y localiaci!n de sodio en el material. La geología del área también puede ser una guía de la dispersividad. &herard N ;ecOer +@APP se$alan que< 'uchas arcillas dispersivas son de origen aluvial. -lgunas arcillas de las laderas de lechos de ríos, camas de dep!sitos lacustres, dep!sitos de loess y dep!sitos de llanuras de inundaci!n son también dispersivas. -lgunos suelos derivados de la lutita y la arcillita bajo un medio marítimo
son también dispersivos. Los suelos derivados de la intemperiaci!n de las rocas ígneas y metam!rficas son casi todos no dispersivos, pero pueden ser erosionables, +por ejemplo, la arena limosa derivada de la granodiorita. &uelos con un alto contenido orgánico probablemente no son dispersivos +esto necesita ser tratado con cautela, desde que muchos suelos tipo Qalgod!n negroQ son dispersivos. Las áreas de producci!n con poca cosecha y el crecimiento mal desarrollado también pueden indicar suelos altamente salinos, muchos de los cuales son dispersivos. &in embargo, los suelos dispersivos pueden también presentarse en suelos neutrales o en suelos ácidos y pueden apoyar al crecimiento frondoso del césped.
2.1.. CARACTERSTICAS DE EROSIÓN POR DISPERSIÓN Es bien sabido que los limos no cohesivos y arenas muy finas son altamente susceptibles a la erosi!n. Este fen!meno, debido exclusivamente a efectos mecánicos, ocurre bajo condiciones de flujo de agua en que la velocidad, gradiente hidráulico y fueras de arrastre alcanan magnitudes considerables. En cambio, las arcillas normales generalmente se consideran resistentes a la erosi!n, salvo cuando el flujo de agua alcana una velocidad igual o mayor a @m*s. &in embargo, el fen!meno de arcilla dispersa normalmente ocurre bajo un flujo de agua de baja velocidad, por lo que la dispersi!n o erosi!n de estas arcillas tiene causas distintas a los efectos asociados a la erosi!n de suelos granulares. - continuaci!n se mencionan estas causas a saber< físicoquimica. 3ísica y mecánica. 2.1..1. CARACTERSICAS !SICO?UI+ICAS Las arcillas dispersivas generalmente poseen una resistencia a la erosi!n cuando se encuentran en un ambiente cuyas condiciones químicas son similares a los que se tienen cuando se forman originalmente. ;icha
resistencia se reduce hasta que se pierde por completo cuando tal ambiente original se ve modificado. "uando la arcilla dispersiva está inmersa en el agua, la fracci!n arcillosa tiende a tener un comportamiento similar al de partículas granulares, esto es, las partículas arcillosas tienen un mínimo de atracciones electroquímicas y no pueden adherirse entre sí o estar ligadas con otras partículas de suelo. El flujo de agua de baja velocidad hace que las partículas individuales de arcilla, en forma laminar, tiendan a separarse y finalmente dejan que se las lleve el agua. La rapide de erosi!n de estas arcillas puede ser mayor a(n que la de arenas finas o limos. 1arios factores influyen en la tendencia de dispersi!n de los suelos, entre ellos se encuentran la mineralogía y química de las arcillas, así como las sales disueltas en el agua pura y en el agua erosionante. La principal diferencia entre las arcillas dispersivas y las resistentes a erosi!n radica en la naturalea de los cationes en el agua de poro que se encuentra en la masa del suelo. Las arcillas dispersivas tienen un contenido ponderado de sodios mientras las arcillas normales contienen mayor proporci!n de cationes de calcio, potasio y magnesio en el agua de poro. El proceso de falla de estos suelos es un proceso físicoquímico, influenciado por el elevado contenido de Da R que tienen estos suelos. Es sabido que el i!n DaR dentro de la doble capa difusa, que rodea a las partículas s!lidas de arcilla, tiene una vinculaci!n muy débil asociada fundamentalmente a su monovalencia. Los iones monovalentes, como el DaR, se hallan débilmente ligados a la partícula de suelo, los bivalentes "aRR y 'gRR están algo más firmemente unidos a él y el i!n C, ligeramente disociado, mientras que los cationes trivalentes -lRRR y 3eRRR pueden encontrarse unidos fuertemente a la partícula s!lida. /ara tener una idea de la influencia de los iones de intercambio digamos que un cati!n de "a RR atrae más moléculas de agua que uno de DaRS pero por cada cati!n "aRR pueden unirse a la superficie del cristal dos cationes DaR. ;ebemos recordar que el volumen de dos cationes Da R es de P.KK -T, y el de un cati!n "aRR, de 6.AA-T. /or ello, los cationes Da R tienen una
capa más gruesa de agua absorbida a su alrededor de las partículas de arcilla logrando que las mismas se separen. El agua solubilia las uniones salinas y produce expansi!n de los puentes de arcilla. La rotura de los vínculos entre partículas y la hidrataci!n de los puentes de arcilla, producen una disminuci!n notable de la estabilidad de la masa de estos suelos cuando se los pone en contacto con agua. Este fen!meno de hinchamiento asociado con la débil vinculaci!n de los iones DaR a las partículas, hacen que las mismas se separen en contacto con aguas quietas y que las mismas sean fácilmente arrastradas cuando el agua se pone en movimiento. Este fen!meno se lo conoce como dispersi!n coloidal y debido al tama$o de las partículas que son arrastradas y no son fáciles de contener con filtros. &herard estudi! los iones de cambio de los suelos que fallaban por tubificaci!n y descubri! que la mayoría de ellos tenían un contenido muy elevado de sodio.
IMAGEN: Proceso de falla de arcillas dispersivas, es un proceso físico-químico, influenciado por el elevado contenido de Na+ que tienen estos suelos.
2.1..2. CARACTERSTICAS !SICAS •
TOPORA!A En áreas con topografía accidentada donde existen arcillas dispersivas, se
pueden reconocer con facilidad onas erosionables con un característico patr!n definido por rasgos cortados como con sierra, hombro sinuoso y profundo, canales y t(neles de reciente formaci!n. En áreas planas y francamente onduladas, es difícil de encontrar evidencias de arcillas dispersivas porque en la superficie se deposita un estrato de protecci!n de arena limosa debajo del cual se esconden las arcillas dispersivas. La ausencia de evidencias de erosi!n superficial no necesariamente indica que no se tienen arcillas dispersivas.
IMAGEN: Erosin profunda por tu!ificacin en suelos dispersivos •
COLOR Las arcillas dispersivas pueden ser de color rojio, café, gris, amarillo o una combinaci!n de estos colores. Los suelos de color negro que contienen materias orgánicas no son de características dispersivas. &e puede afirmar que no son dispersivos los suelos finos derivados del intemperismo de rocas ígneas y metam!rficas así como de calia.
•
CLI+A Los primeros estudios asocian el problema de dispersi!n solamente con suelos formados en climas áridos y semiáridos y en área suelos alcalinos. En a$os recientes también se ha reportado el problema en onas h(medas.
2.1..G. CARACTERSTICAS +ECNICAS El estado fisicoquímico que tienen las arcillas dispersivas y el ambiente físico en que ellas se han formado pueden propiciar una erosi!n interna, pero ésta no ocurre si no se presentan otras condiciones que están más bien relacionadas con el estado de esfuero y deformaci!n de estos suelos. /ara entender estos mecanismos de erosi!n, es preciso recordar c!mo tiene lugar la erosi!n en una presa o un terraplén. La erosi!n externa causada por un flujo superficial es la más obvia y puede ocurrir en suelos granulares y cohesivos, situaci!n que se agrava si las arcillas son dispersivas. La erosi!n externa o tubificaci!n, por otro lado, se presentan en el talud aguas arriba o en el lado aguas abajo del terreno de cimentaci!n, la cual comiena con un fuerte gradiente hidráulico de salida arrastrando por su alta fuera de filtraci!n, las partículas de suelo que ya se encuentran en un estado suelto, de manera que el t(nel formado se propaga desde aguas abajo hacia aguas arriba. La presa puede fallar por tubificaci!n si el t(nel llega a alcanar la ona aguas arriba. La forma en que se desarrolla la erosi!n interna en arcillas dispersivas es distinta. El t(nel generado por el arrastre de partículas de suelo se forma en el talud aguas arriba o en alguna ona interna donde el agua es abundante, y se propaga hacia aguas abajo. /or las causas intrínsecas que se han explicado en líneas anteriores, las arcillas se dispersan. En este momento, si las arcillas se encuentran en una ona donde existen grietas, éstas se agrandan y se genera, en consecuencia, una erosi!n mayor. El arrastre de las partículas de suelo se refleja en la turbiedad del agua en la ona de aguas arriba o la de aguas abajo.
IMAGEN: E"emplo de falla por tu!ificacin en una presa de!ido a la presencia de suelos dispersivos
2.2. TIPOS DE EROSIÓN EN SUELOS DISPERSI;OS Los suelos dispersivos son derivados de rocas con bajo calcio y magnesio pero con un alto contenido de sodio como la albita y la anfibolita ElgesU observo que la mayoría de los suelos dispersivos contienen esmectita o llita, con materiales de caolinita que generalmente no son dispersivos. El sodio en los suelos puede ser derivado del envejecimiento natural de ciertos tipos de rocas de materiales depositados bajo condiciones marinas o salinas, o de disoluci!n, filtraci!n y deposici!n del sodio en el perfil del suelo, durante procesos geomorfol!gicos . Esto obviamente influye en el tipo y localiaci!n de sodio en el material.
sharardV,se$alo que la mayoría de las arcillas dispersivas encontradas por ellos, consistían en arcillas aluviales en forma de lavados +slopeWash,camas de dep!sitos lacustres, dep!sitos de loees y dep!sitos de llanuras de inundaci!n .también apunto que algunas piedras depositados
bajo
de arcilla y esquistos condiciones
marinas
presentaban los mismos poros de aguas salinas que las arcillas dispersivas .
2.2.1. EROSIÓN TU0I!ICACIÓN Este fen!meno se presenta cuando las fueras resistentes a la erosi!n son menores que las fueras del flujo de agua que tiende a producirla de manera que las partículas son removidas y transportadas por la corriente. Este problema se puede iniciar en cualquier grieta +por peque$a que esta sea producto de asentamientos diferenciales, sismos o grietas de tensi!n, incluso a partir de orificios dejados por raíces o troncos podridos. La falla puede suceder desde el primer llenado o después de alg(n +o mucho tiempo de haber sido finaliado la construcci!n. /ara que esta falla se produca es inevitable que una grieta deba estar presente desde el inicio.
2.2.1.1. TU0I!ICACIÓN RETRÓRADA
&e puede producir prácticamente en todo los suelos, desde aguas abajo hasta aguas arriba, siguiendo preferentemente el camino de las líneas de filtraci!n .el conducto se forma por las onas geol!gicamente más débiles, por planos de estratificaci!n permeable, o en cualquier otra ona de concentraci!n de flujo donde la energía llegue sin sufrir pérdidas significativas debida a la fricci!n.
#enmeno de tu!ificacin en presas peque$as de tierra.
2.2.1.2. !RACTURA IDRULICA "onsiste en infiltraci!n brusca del agua a través de las grietas de los terraplenes, bajo los efectos de la carga hidráulica, ejerciendo sub presiones y presiones en todas las direcciones.
#enmeno de tu!ificacin en presas peque$as de tierra.
2.2.1.G. PO>OS O SU+IDEROS La morfología de los t(neles, que al inicio son verticales y luego se desarrollan horiontalmente, sugiere la forma de jarras. Estos se
producen por el agua de lluvia penetra +y erosiona por peque$as fisuras abiertas por contracci!n o raíces de plantas. %u!ificacin como po&os
#enmeno de tu!ificacin en presas peque$as de tierra.
"uando una fuga de concentrados comiena a través de un terraplén construido con arcilla dispersiva, pueden darse dos acciones< sí la velocidad es suficientemente baja , la arcilla que rodea el canal de flujo puede expandirse y progresivamente sellar la fuga
2.2.2. EROSIÓN POR LLU;IA La erosi!n laminar o de
la superficie por lluvia en suelos cohesivos a
menudo ocurre junto a la erosi!n por dispersividad. El slaOing S también puede ser un factor de erosi!n interna y por esto, es necesario nombrar otros tipos de erosi!n tales como< erosi!n en surcos ,erosi!n en cárcavas. 2.2.2.1. EROSIÓN EN SURCO curre cuan do el flujo superficial se concentra en peque$as corrientes sobre una pendiente ,generando erosi!n debida a la concentraci!n de flujo , creando peque$os canales que inicialmente son imperceptibles ,pero que se van volviendo cada ve más profundos. "uando los surcos se hacen más profundos y más anchos se les clasifica como cárcavas. La profundidad de los canales de erosi!n es menos de HJ cm para denominarse como surco y más de HJ cm como cárcavas. Los surcos se pueden eliminarse y sembrar vegetaci!n.
2.2.2.2. EROSIÓN EN CRCA;AS -l profundiarse y ampliarse los surcos de erosi!n, estos se convierten en cárcavas. El área más susceptibles a erosi!n en cárcavas son aquellas de topografía de alta pendiente y mantos de suelo de gran espesor y así mismo, las que contengan suelos dispersivos o altamente erosionables. Las cárcavas son muy difíciles de estabiliar y controlar, para su estabiliaci!n se debe controlarse tres partes<
•
•
•
Er-sión en e f-n#Er-sión atera a@4iación #e a c6rca5a Er-sión en a ca3e7a a5ance acia arri3a #e a c6rca5a
Etapas en desarrollo de una c'rcava
2.G. IDENTI!ICACION DE SUELOS DISPERSI;OS •
La presencia de quebradas profundas y fallas por turificaci!n en
• •
peque$as presas. La erosi!n en grietas de los caminos La erosi!n tipo t(nel a lo largo de las quebradas o las arcillas unidas en
•
roca. La presencia de agua nublada en presas peque$as y charcos de agua luego de la lluvia.
Los suelos dispersos no pueden ser identificados con una clasificaci!n visual del suelo o con un Ensayo de índice de laboratorio.
2.. ENSA=OS 2..1. ENSA=O CRU+0 %US0R /((&) El ensayo consiste en preparar un especímen c(bico de @7 mm de lado o eligiendo un suelo "rumb secado al aire de igual volumen
+sería
preferible
usar un suelo "rumb con su humedad
natural.
El
especímen
es
colocado
cuidadosamente
en
alrededor de 97J ml de agua destilada. 'ientras el suelo "rumb
se
hidratar,
comiena
a
observa
la
se
tendencia de las partículas coloidales para deflocularse y entrar en suspensi!n. La tendencia para que las partículas de arcilla entren en suspensi!n coloidal es observada después de 7@J minutos de inmersi!n, usando la siguiente guía de interpretaci!n<
•
ra#- 1. Dinguna
reacci!n<
El
desmenuado
puede
desmoronarse y esparcirse en el fondo del cubilete en amontonamiento plano, sin ning(n signo de agua
nublada
suspensi!n.
causada
por
coloidales
en
•
ra#- 2. 5eacci!n ligera< &imple insinuaci!n de nubosidad en agua en la superficie del "rumb +si la nubosidad es fácilmente visible, use el grado H.
•
ra#- G. 5eacci!n moderada< Dubosidad de coloides fácilmente
reconocible
en
suspensi!n.
)sualmente diseminado en traas delgadas en el fondo del cubilete.
•
ra#- . 5eacci!n fuerte< Dubosidad coloidal cubre casi la totalidad del fondo del cubilete, usualmente en una superficie muy delgada. En casos extremos toda el agua en el cubilete se vuelve nubosa.
2..2. ENSA=O PINOLE Ensayo desarrollado por &herard +@APB. )n orificio de @.Jmm de diámetro es perforado en el suelo a ser ensayado y a través de agujero se pasa agua bajo diferentes cargas y duraciones variables. El suelo es tamiado a través del tami de 9.HB mm y compactado aproximadamente en el límite plástico a una proporci!n de densidad del A7I. Las condiciones a simular en el ensayo son las de un terraplén con una fisura en el suelo. 2..2.2.1( +UESTRAS = ENSA=OS REALI>ADOS
Los ensayos se realiaron en el laboratorio geotécnico del "#&'#; de la 3#& )D#, además se basan en la norma -&:'
"ompactando el espécimen en el cilindro del equipo de pinhole a través de J7 capas
Luego de compactar, se procede a insertar la aguja. Es importante pasar la aguja dos a tres veces
-plicaci!n de la primera carga
aquí podemos observar que el color del efluente a través de los cilindros y la carga a la cual está sometidaS esto es típico en un suelo ligeramente dispersivo.
. 0I0LIORA!A ;ise$o de "imentaciones #D% 0orge E. -lva hurtado 5ecomendaciones para la redacci!n de pliegos de especificaciones técnicas generales para el tratamiento de Los suelos con cal. %esti!n de infraestructuras de -ndalucía, &.-. /erla Le!n '. +@AK7 :esis de %rado /ontificia )niversidad "at!lica del /er(.
&herard, 0.L., ;unnigan L./. ;ecOer, 5.&. y &teel E.3. +@APB, =/inhole :est for #dentifying ;ispersive &oils>, 0ournal of %eotechnical Engineering, -&"E, 1ol @J9, D8 %:@, pp. BAK7. 4ermeo :ierradentro, ;.-.S %aitán 0iméne, ;.-. y "antor 1elasco, 0.-.
