UNIVERSI UNIVERSIDAD DAD DE SANTIAGO S ANTIAGO DE CHILE FACULTAD FACULT AD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA INGENIERIA EN OB RAS CIVILES CIVIL ES
ANÁ LISIS DE L A ACCIÓN DE SUELOS SUEL OS EXPANSIVOS SOBRE SOB RE LAS L AS ESTRUCTU ESTRUCTURAS RAS EN L A REGIÓN METROPOL METROPOL ITANA. MÉTODOS MÉTODOS DE ESTABIL IZACIÓN Y SOL UCIONES UCIONES CONSTRUCTI CONSTRUCTIVAS. VAS.
JA IME ANTONIO CARRASCO CARRASCO FERNÁNDEZ
Profesor Guía: Sr. Esteban Jamett Quezada Memoria para obtener el Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles.
Santiago – Chile 2013
© Jaime Antonio Carrasco Carrasco Fernández Fernández
Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines académicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando se incluya la cita bibliográfica del documento.
UNIVERSI UNIVERSIDAD DAD DE SANTIAGO S ANTIAGO DE CHILE FACULTAD FACULT AD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA INGENIERIA EN OBRAS OB RAS CIVILES CIVIL ES
ANÁ LISIS DE L A ACCIÓN DE SUELOS SUEL OS EXPANSIVOS SOBRE SOB RE LAS L AS ESTRUCTU ESTRUCTURAS RAS EN L A REGIÓN METROPOL METROPOL ITANA. MÉTODOS MÉTODOS DE ESTABIL IZACIÓN Y SOL UCIONES UCIONES CONSTRUCTI CONSTRUCTIVAS. VAS.
JA IME ANTONIO CARRASCO CARRASCO FERNÁNDEZ
Profesor Guía: Sr. Esteban Jamett Quezada Comisión Examinadora: Sr. Eduardo Barra Rivera Sr. Pablo Medina Dávila Memoria para obtener el Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles
Santiago – Chile 2013
DEDICATORIA Esta Tesis es dedicada dedicada principalmente principalmente a mis padres Jaime y Anita, porque porque creyeron en mi y porque me sacaron adelante, siendo ejemplos dignos de superación y perseverancia, por enseñarme los valores que me formaron como persona, porque en gran parte gracias a ustedes, hoy puedo ver alcanzadas mis metas, ya que siempre estuvieron impulsándome en los momentos más difíciles durante estos años. A mis hermanas Viviana y Mariana, y a mi tía Berta, por su apoyo y cariño en cada momento y por ser pilares fundamentales en los períodos difíciles que pasamos como familia, porque el solo hecho de pensar en ustedes me entregaba la fuerza para lograr cada meta y objetivo propuesto.
A mi polola Nicole, por su apoyo incondicional, por su amor y paciencia en cada momento, por las palabras de aliento y sustento en momentos de flaqueza.
Este paso es dedicado a todos ustedes…
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AGRADECIMIENTOS AGRA DECIMIENTOS
Agradezco a todas las personas que participaron e hicieron posible este proyecto, a quienes contribuyeron y estuvieron presentes durante mi proceso de formación. A mi familia, por su apoyo incondicional. A mi polola por su amor en cada momento. A mis amigos por su apoyo y compañerismo. A mi profesor Guía Esteban Jamett, por su apoyo durante este proceso y entrega de conocimiento conocimiento y sabiduría. A mi universidad por ser el ente que me cobijó durante todos estos años transformándose en mi segundo hogar y fuente de conocimiento. Finalmente quiero agradecer a Dios, por permitirme vivir con las personas que amo, por darme la fuerza cada día, por los períodos de tristeza y de felicidad, y por ser la luz que me guiaba y levantaba en momentos de debilidad. de bilidad.
ii
TABLA DE CONTENIDOS
Dedicatoria…………..……………………………………………………………………. Agradecimientos………………………………………………………………………….. Tabla de Contenidos ………………………………………… ……………………………………………………………………. …………………………. Índice de Tablas...…………………… Tablas...……………………………………… ………………………………………… ………………………………... ………... Índice figuras…………………………………… figuras……………………………………………………………… …………………………………........... ………........... Resumen…………………………………………………………………………………..
CAPÍTUL O 1
1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.
INTRODUCCIÓN…………………………….…… INTRODUCCIÓN…………………………….………………………….. ……………………..
1
Introducción…………………………………………………………………. Introducción………………………………………… ………………………. Objetivos……………………………………………… Objetivos……………………… ………………………………………………. ………………………. Alcances y limitaciones………………………… limitaciones……………………………………………………. …………………………... Metodología…………………………………………… Metodología………………………… ……………………………………….. …………………….. Expansión urbana y necesidad de suelo……………………… suelo………………………………. ………. Efectos perjudiciales de las arcillas expansivas sobre las construcciones livianas………………………… livianas………………………………………………… …………………………… ……
1 3 4 5 6
CAPÍTUL O 2
2.1. 2.2. 2.3. 2.3.1. 2.3.1.1. 2.3.1.2. 2.3.1.3. 2.3.1.4. 2.4. 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.4.5. 2.4.6. 2.4.6.1. 2.4.6.2. 2.5. 2.5.1. 2.5.2. 2.5.3. 2.5.4.
i ii iii vii viii x
7
MARCO TEORICO……..…………… TEORICO……..………………….………………… …….…………………………... ………...
Introducción……….………………………………………………………… Introducción……….………………………………… ……………………… Definición y características de los suelos expansivos………………… Estructura y componentes mineralógicos de las arcillas expansivas. Grupos de minerales arcillosos……………………………………… arcillosos………………………………………..….. ..….. Grupo de la caolinita………………………………… caolinita………………………………………………………… ……………………… Grupo de la ilita………………………………………… ilita……………………………………………………………… …………………… Grupo de la montmorillonita…………… montmorillonita…………………………… …………………………………… …………………… Grupo de la vermiculita………………………………… vermiculita……………………………………………………… …………………… Causas que originan su comportamiento………………… comportamiento…………………………………. ………………. Fenómeno y comportamiento químico de las arcillas expansivas……. Teoría químico-eléctrica………………… químico-eléctrica………………………………… …………………………………. …………………. Influencia de la succión en el hinchamiento de un suelo expansivo…… Influencia del grado de pre consolidación ……………………………… ……………………………… Influencia de la cementación ……………………………………………… Humedad de equilibrio y el potencial de hinchamiento…………………. Humedad de equilibrio…………………………………… equilibrio………………………………………………………. …………………. Potencial de hinchamiento…………………… hinchamiento……………………………………………… …………………………….. ….. Factores que intervienen en el fenómeno de la expansión…………… La composición mineralógica de la arcilla…….…….…….…….……… arcilla…….…….…….…….……… Índice de Plasticidad………………… Plasticidad………………………………… ……………………………………… ……………………… Límites de Consistencia de Atterberg.……………….………….……….. Atterberg.……………….………….……….. La variación va riación de humedad……………….…… humedad……………….………….…….……….… …….…….……….…….…... ….…...
8 8 9 10 14 14 14 15 15 16 16 17 18 18 19 19 19 20 21 21 22 24 26 iii
2.5.5. 2.5.6. 2.5.7. 2.5.8. 2.6.
Capilaridad del suelo ante la presencia de nivel freático…….…….……. freático…….…….……. Densidad seca.……………….………….…… seca.……………….………….…… ……….…….……….….…. Potencial del estrato activo……………… a ctivo……………….………….…… .………….…….……….…….… .……….…….… Fatiga de la expansión…….…….….….…… expansión…….…….….….…….…….…….… .…….…….…….…….….….. ….…….….….. Evaluación del potencial expansivo….….…….…….…….…….…….…… expansivo….….…….…….…….…….…….……
CAPÍTUL O 3
3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4. 3.4.5. 3.4.6. 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 3.6. 3.7.
Generalidades………………………………………………………………… Identificación visual…………………………………… visual………………………………………..………..………. …..………..………... Identificación mineralógica…………………… mineralógica…………………………………………… …………………………….. …….. Difracción de rayos x………………………………………… x………………………………………………………… ……………… El análisis térmico diferencial……………………………………………..... diferencial……………………………………………..... El análisis químico y la l a absorción de tinte………………………………… tinte………………………………… La microscopia electrónica…………………… electrónica…………………………………………… …………………………….. …….. Identificación por métodos indirectos………………………………………. indirectos………………………………………. Método de Lambe ……….…….……….….…..……….….….….…… ……….…….……….….…..……….….….….…………. ……. Índice de plasticidad……………….…… plasticidad……………….………….…….…… …….…….……….…….………… ….…….………… Contracción de d e las l as arcillas…..….….….…….…….…… arcillas…..….….….…….…….…….…….…….….….. .…….…….….….. Contenido de coloides….….…….…….… coloides….….…….…….…….…….…….… ….…….…….……….…………. …….…………. Método del índice de actividad de la arcilla…...……….….….….……….. arcilla…...……….….….….……….. Método desarrollado por Holtz y Gibbs…….……….…….…………… Gibbs…….……….…….………………. …. Identificación por po r métodos directos.….…….…….…….…….…….… directos.….…….…….…….…….…….….….. .….. Presión de hinchamiento….…….…….… hinchamiento….…….…….…….…….…….… ….…….…….……….…………. …….…………. Hinchamiento libre.…….…….…….…….…….……… libre.…….…….…….…….…….……….………… .………… ………… Análisis comparativo y efectividad de los métodos señalados…………. Normativa Chilena Relacionada…….…….…… Relacionada…….…….…….……………………… .…………………………. ….
CAPÍTULO 4
4.1. 4.2. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3.
METODOS DE IDENTIFICACIÓN…..……….………… IDENTIFICACIÓN…..……….……………………….. ……………..
HISTORIA HISTORIA GEOLÓGICA Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS SUELOS EXPANSIVOS……………………………………………………………
Historia geológica y origen…………………………………………… origen………………………………………………… …… Mapa geológico de la l a Región Metropolitana……………………………. Metropolitana……………………………. Delimitación de la zona de estudio………………………………………. estudio………………………………………... Unidades geomorfológicas constituyentes del suelo de fundación de la Región Metropolitana………………… Metropolitana………………………………… …………………………………….. …………………….. Clasificación de suelos de d e fundación del Gran Santiago………………. Santi ago………………. Finos del Noroeste……………………… Noroeste………………………………… ………………………………… ………………………… …
26 27 28 29 30
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31 31 32 32 33 33 33 35 35 35 36 37 38 40 41 41 41 43 44
45
45 46 47 47 47 48
iv
CAPÍTUL O 5
5.1. 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.2.4.
Características del análisis…………………… análisis………………………………………………… …………………………… Análisis de resultados de ensayos en proyectos ubicados en la zona de estudio………………………………… estudio…………………………………………………… ………………………………….. ……………….. Clasificación del grado de expansión…………………… expansión……………………………………… ………………… Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos……………. Clasificación de muestras de suelo según sistema USCS...…………… Selección de dos proyectos representativos para entregar análisis y desarrollo de soluciones constructivas......................... constructivas....................................... ........................... .............
CAPÍTUL O 6
6.1. 6.1.1. 6.1.2. 6.1.2.1. 6.1.2.2. 6.2 6.2.1 6.2.1.1 6.2.1.2. 6.2.1.2.1. 6.2.1.3. 6.2.1.4. 6.2.1.5. 6.2.1.6. 6.2.1.6.1. 6.2.1.6.2. 6.2.1.6.3. 6.2.2. 6.2.2.1. 6.2.2.2. 6.2.2.3. 6.2.2.4. 6.2.2.5. 6.2.2.6. 6.2.2.7. 6.2.2.8.
DIAGNÓSTICO DEL SUELO DE FUNDACIÓN DE PROYECTOS EMPLAZADOS EMPLA ZADOS EN L A ZONA DE ESTUDIO……………… ESTUDIO……………………….. ………..
SISTEMAS DE SOLUCIÓN SOL UCIÓN ANTE ANT E SUELOS EXPANSIVOS………
Clasificación de sistemas de solución…………………………………….. Soluciones constructivas que actúan sobre la estructura………………. Soluciones constructivas que actúan sobre el terreno….………………. Método de sustitución…………………… sustitución……………………………………… …………………………………. ………………. Método de estabilización……………………… estabilización…………………………………………… ……………………………. ………. Alternativas de solución y control para suelos expansivos presentes en la zona de estudio…………………………… estudio………………………………………………… ………………………………. …………. Remoción del suelo hasta el punto crítico……………………………… crítico………………………………… … Ejecución de la solución por método de remoción….…………………… remoción….…………………….. Material de relleno……..……………………………… relleno……..…………………………………………………….. …………………….. Propiedades mecánicas de referencia…………………………………… referencia…………………………………….... Ejecución del relleno estructural……………………………………………. estructural……………………………………………. Equipo de compactación co mpactación para suelos granulares………………………… Consideraciones ante presencia de napa………………………………… napa………………………………… Aplicación práctica de la solución de remoción de terreno y relleno estructural……………………………………… estructural…………………… ………………………………………… ……………………….......... .......... Alternativa de fundación de zapatas y cimiento continuo en relleno estructural……………………………………… estructural…………………… ………………………………………… …………………………….. …….. Alternativa de losa de fundación sobre relleno estructural………………. Procedimiento de ejecución del zampeado, para excavaciones en presencia de nivel freático………………………………………………...... freático………………………………………………...... Losa rígida apoyada sobre pilotes….………………………………… pilotes….……………………………………… …… Acción del suelo expansivo sobre pilotes…………………………………. pilotes…………………………………. Características del sistema de pilotes……………………………………... pilotes……………………………………... Cálculo de capacidad de carga………………………………………… carga……………………………………………. …. Resistencia unitaria última de punta……………………… punta………………………………………. ………………. Resistencia unitaria última de fuste……………… fus te……………………………………… ……………………….... Capacidad de carga admisible………………… admisible……………………………………… ………………………….. …….. Análisis del asentamiento de pilotes………………………………………. pilotes………………………………………. Eliminación de la acción del fuste sobre el pilote………………………… pilote…………………………
52
52 54 54 56 58 59 60
60 60 60 61 62 63 63 67 68 69 70 70 71 72 75 77 83 85 82 87 89 91 92 94 95 97
v
6.2.2.9. 6.2.2.9.1. 6.2.3. 6.2.3.1. 6.2.3.2. 6.2.3.3. 6.2.3.4. 6.2.3.5. 6.2.3.6. 6.2.3.7. 6.2.3.8.
Aplicación práctica de la solución de losa rígida apoyada sobre pilotes…………………………………………… pilotes……………………… …………………………………………… ……………………………. ……. Planimetría del proyecto……………………… proyecto……………………………………………… ……………………………. ……. Estabilización con cal………………………… cal……………………………………………… ……………………………. ………. Definición………………………………………… Definición……………………… ……………………………………… ………………………….. …….. Funciones de la cal………………………… cal……………………………………………… ………………………………. …………. Tipos de cal……………………………………… cal…………………………………………………………… ………………………….. …….. Propiedades de d e la cal………………………………………… cal………………………………………………………. ……………. Normativas sobre la cal…………………………………………………….. cal…………………………………………………….. Modificación de suelos arcillosos a rcillosos con cal………………………………… cal………………………………… Efectos de la l a aplicación de d e la cal………………………………………….. cal………………………………………….. Aplicación de la solución mediante sistema de inyección de cal……….
CAPÍTUL O 7
98 100 102 103 104 104 106 107 108 112 117
CONCLUSIONES…………………………….…………………… CONCLUSIONES………………………… ….………………………… ……
119
Recomendaciones, Prevención y Control………………………………… Control………………………………… Recomendaciones Constructivas……………… Constructivas……………………………………… ………………………….. ….. Recomendaciones para la construcción de fundaciones sobre relleno estructural……………………………………… estructural…………………… ………………………………………… ……………………………. ……. Recomendaciones para la ejecución de la solución mediante losa autosoportante sobre pilotes………………………………………… pilotes……………………………………………….. …….. Recomendaciones para la ejecución de la alternativa mediante estabilización con cal…………………………………… cal……………………………………………………….. ………………….. Conclusión Final……………………… Final………………………………………… …………………………………….. …………………..
119 121
BIBLIOGRAFÍA…………..…………………………………………………….…..……...
131
7.1. 7.2. 7.2.1. 7.2.2. 7.2.3. 7.3.
121 124 127 128
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Tabla 1.2. Tabla 1.3. Tabla 1.4. Tabla 1.5. Tabla 1.6. Tabla 1.7. Tabla 1.8. Tabla 1.9. Tabla 1.10. Tabla 1.11. Tabla 1.12. Tabla 1.13.
Índice cambio potencial de volumen del ensayo Lambe……………….. Lambe……………….. Relación entre el potencial de hinchamiento y el índice de plasticidad.. Potencial expansivo y contracción de las arcillas……………………….. arcillas……………………….. Evaluación del peligro de hinchamiento según contenido de coloide… Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos……….. Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos.…….… Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos (1)……….. Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos (2)………... Propiedades de material de relleno……………………………………… relleno……………………………………….... Propiedades mecánicas del suelo de fundación………………… fundación………………………… ……… Recomendaciones de escarpes mínimos bajo viviendas………………. Factor de forma a usar en expresiones de asentamiento………………. Factor de enterramiento a usar en expresiones de asentamiento……..
35 36 36 38 40 54 56 57 69 73 75 80 81
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1. Figura 2-1. Figura 2-2. Figura 2-3. Figura 2-4. Figura 2-5. Figura 2-6. Figura 2-7. Figura 2-8. Figura 2-9. Figura 2-10. Figura 2-11. Figura 3-1. Figura 3-2. Figura 3-3. Figura 3-4. Figura 3-5. Figura 3-6. Figura 3-7. Figura 4-1. Figura 4-2. Figura 4-3. Figura 5-1. Figura 6-1. Figura 6-2. Figura 6-3. Figura 6-4. Figura 6-5. Figura 6-6. Figura 6-7. Figura 6-8. Figura 6-9. Figura 6-10. Figura 6-11. Figura 6-12. Figura 6-13. Figura 6-14. Figura 6-15.
Expansión urbana en la Región Metropolitana……………………………. Metropolitana……………………………. Suelo arcilloso de características expansivas…………………………….. Estructuras atómicas básicas de los minerales de arcilla………………... Láminas formadas por estructuras atómicas básicas…………………….. Estructuras laminares…………………… laminares……………………………………… ………………………………....... ……………....... Minerales de arcilla……………………… arcilla……………………………………… …………………………………… …………………… Diagrama de atracción y repulsión electroquímica……………… electroquímica……………………….. ……….. Gráfico determinación de humedad de equilibrio…………………… equilibrio…………………………. ……. Relación entre el porcentaje de expansión y el componente de arcilla… Carta de Plasticidad de Casagrande…………………… Casagrande……………………………………….. ………………….. Diagrama Límites de Consistencia de Atterberg………………………….. Atterberg………………………….. Gráfico curva de fatiga fatiga de la expansión del suelo tras ciclos de saturación y secado……………………..… secado……………………..…………………… …………………..……………. ..……………. Identificación visual, estrato de arcilla expansiva………………………… expansiva………………………….. Identificación mineralógica por microscopia electrónica…………………. Índice cambio potencial de volumen del ensayo Lambe…………………. Identificación por métodos indirectos. Contenido de coloides comparación de tamaño de partículas……………………..………………………... Diagrama Método del “Índice de la actividad de la arcilla” ………………. Gráfico relación típica entre el contenido de coloides, coloides, el el Índice Plástico y el Límite de contracción……………………..……………………………. Identificación por métodos directos. Equipo edométrico…………………. Mapa geológico de la Región Metropolitana……………………..………... Metropolitana……………………..………... Suelos de fundación de Santiago……………………. Santiago……………………..…………………….. .…………………….. Mapa geomorfológico de la cuenca de Santiago………………………….. Santiago………………………….. Diagrama clasificación de muestras de suelo de los los diferentes diferentes Informes Informes analizados según sistema USCS……………………..………………………………. Profundidad de la zona activa y variación estacional de la humedad…... Excavación mediante maquinaria pesada…………………… pesada……………………..………….. ..………….. Equipo de compactación y ejecución del proceso………………………… Modelo estratigráfico Conjunto Valle Grande, Lampa……………..…....... Lampa……………..…....... Alternativas para fundaciones en relleno estructural……………………… estructural……………………… Esquema de fundación fund ación sobre pilotes……………………..………………… pilotes……………………..………………… Pilote bajo acción del terreno…………………..…………… terreno…………………..…………………………… ……………… Alternativas de tipo de pilotes……………………..………………… pilotes……………………..………………………… ……… Resistencia de pilotes por punta y por fuste……………………..………… fuste……………………..………… Capacidad de carga por transferencia al suelo……………………………. suelo……………………………. Esquema relación K0 en excavación…………………… excavación……………………..………………… ..………………… Grafico factor de influencia…………………………………………………. influencia…………………………………………………. Modelo estratigráfico Casas sector Chamisero Colina……..…………….. Propiedades mecánicas………………… mecánicas…………………………………… ………………………………….. ……………….. Planta de fundación, ubicación de pilotes en planta……………………… planta………………………
6 9 10 11 12 13 17 20 21 23 25 29 32 34 35 37 39 40 42 46 50 51 58 65 66 71 72 74 84 85 87 89 90 93 96 99 99 100
viii
Figura 6-16. Figura 6-17. Figura 7-1. Figura 7-2.
Sección pilote y viga de fundación……..……………… fundación……..…………………………………. …………………. Proceso de Inyección de cal sobre el terreno……………………………. terreno……………………………. Esquema de relleno para fundación………………… fundación………………………………………. ……………………. Ejemplo de distribución de pilotes en planta………………………..……. planta………………………..…….
101 103 123 124
ix
RESUMEN
Frente al crecimiento de la población y la escasez de suelo apto para la construcción en la zona norte de la Región Metropolitana y considerando que el efecto del hinchamiento del suelo producirá impacto en obras de menor magnitud o peso por unidad de área, surge la necesidad de analizar el terreno y su influencia en las estructuras. En este sentido, se profundiza en los suelos expansivos, identificados en la zona clasificada como “suelos finos del noroeste” y en viviendas de hasta tres pisos. El comportamiento característico de este tipo de suelos, corresponde al fenómeno de la expansión, que depende principalmente de la composición mineralógica de la arcilla, el espesor de la capa activa y la variación de humedad a la que se ve expuesto el estrato de arcilla expansiva. Se analiza el comportamiento de estas arcillas, en sus características principales y factores que establecen el grado de expansión, determinando y evaluando el potencial expansivo del suelo y de la comparación y búsqueda de patrón repetitivo, por medio de muestras ensayadas en laboratorio; ya sea clasificación USCS, limites de Atterberg, contenido de humedad, contenido coloidal y ensayos edométricos, principalmente presión de hinchamiento e hinchamiento libre. El análisis propiamente tal, abarca informes de mecánica de suelos, resultados de ensayos y los proyectos presentes en la zona de estudio, particularmente se destacan dos, relevantes debido a su alto potencial expansivo, medidas de ejecución práctica y control en el estudio de métodos de solución para la construcción de viviendas ligeras. Finalmente, en esta investigación se establecen tres alternativas de solución, estas son, reemplazo de suelo, uso de pilotes y estabilización con cal. Las soluciones mediante método de reemplazo y uso de pilotes, son utilizadas en la práctica de forma habitual con buenos resultados, otorgando además buen rendimiento costo-beneficio, sin embargo su uso y resultado final, depende de cada proyecto y del control adicional que se le dé a este. Mientras que para el el caso de la solución mediante uso de cal, cal, si bien no es usada aún en el país, su utilización y desarrollo se presenta presenta como desafío para el estudio acabado de esta y de nuevas alternativas que permitan desarrollar obras con mejores resultados y comportamientos frente a suelos similares.
x
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1.
Introducción.
En la actualidad, el sector de la construcción se ha visto beneficiado con un crecimiento en los proyectos inmobiliarios, debido al aumento sostenido de la población en la Región Metropolitana. Sin embargo, el espacio o área de terreno desocupado es un recurso escaso, que hace indispensable la ocupación de suelo en terrenos periféricos de la capital, de calidad cuestionable ya que éstos corresponden a terrenos difíciles o no aptos para la construcción. Dentro de los suelos comúnmente inutilizados, se pueden nombrar, entre otros, los limos de origen volcánico, las arenas sueltas, los rellenos sanitarios, los suelos arcillosos de alta plasticidad, siendo este último el contenido a desarrollar en esta investigación, específicamente un tipo de arcilla que ha incidido en el daño ocasionado a estructuras tanto en Chile como en el extranjero. Éstas son las denominadas “arcillas expansivas”. Hoy en día se reconoce la incidencia del comportamiento de los materiales expansivos en los daños experimentados por las estructuras, estas patologías de las estructuras, hasta hace algunas décadas, eran atribuidas, por ejemplo, a asentamientos del suelo, desconociendo que se debían en realidad a un fenómeno de hinchamiento del suelo. Se estima que las pérdidas anuales en el mundo por daños en las estructuras sobre suelos expansivos alcanzan cifras millonarias, despertado el interés de los especialistas en suelo y construcción. En Chile, el tema ha merecido permanente preocupación de profesionales en el área de la ingeniería civil, mecánica de suelos y arquitectura, especialmente por los daños generados en obras de edificación, ya sea habitacionales o 1
comerciales, o bien, en obras viales, como carreteras y puentes. Por esta razón, el estudio y análisis de los suelos expansivos se hace preponderante en la generación de alternativas de uso de estos, mediante su identificación para posteriormente efectuar una solución y control, que permitan construir sobre ellos sin ocasionar perjuicios sobre dichas construcciones.
2
1.2.
Objetivos.
Dentro de los objetivos del presente trabajo de tesis, se contempla:
Identificar y describir las características y condiciones propias de los suelos expansivos, tanto en propiedades geotécnicas como mineralógicas en la Región Metropolitana.
Exponer los métodos utilizados para verificar o descartar la presencia de estos suelos y evaluar sus efectos sobre estructuras.
Analizar alternativas alternativas de solución y control, ante la presencia presencia de suelos expansivos, permitiendo la estabilización del terreno y su uso.
Evaluar el proceso de de ejecución ejecución de cada alternativa de solución, y mostrar las respectivas aplicaciones, ventajas y desventajas de las técnicas de construcción expuestas.
Fomentar el conocimiento conocimiento y utilización de estas técnicas y alternativas de solución, en las obras civiles realizadas dentro del territorio nacional.
3
1.3. 1.3.
Alcances y Limi taciones. tacio nes.
En este trabajo se desarrolla un estudio sobre las arcillas expansivas, sus características generales y propiedades intrínsecas, permitiendo reconocer e identificar su presencia en la zona de análisis junto con presentar alternativas de solución y control ante la presencia de suelos expansivos. Desde el punto de vista de las soluciones constructivas, éstas tienen una base analítica y bibliográfica que permiten ser consideradas en un amplio alcance en la materia, pero presentan las limitaciones propias a la universalidad de suelo. Es decir, dada las características infinitas e individuales del suelo, desde el punto de vista del análisis experimental, no está dentro del alcance o propósito de este trabajo un estudio analítico detallado del suelo, ya que la investigación geotécnica de este, es de dominio general y normalizado. El efecto de expansión o hinchamiento del suelo no se producirá bajo una carga elevada, por ello el impacto de los suelos expansivos se ve en cierto modo controlado para el caso de la edificación en altura, de este modo, para fines de esta memoria no se consideran grandes presiones de contacto fundación suelo, sino más bien, viviendas de hasta tres pisos, con una presión de contacto no superior a 30 ton/m2. En este sentido, se comprende que este estudio puede ser acotado al análisis del comportamiento de obras de menor peso por unidad de área, como lo son las edificaciones en extensión. Por consiguiente, los resultados del trabajo corresponden a un estudio analítico de casos de aplicación práctica, y no del tipo experimental.
4
1.4.
Metodología.
Dentro de la metodología desarrollada en el presente trabajo de tesis, se presenta un orden cronológico y secuencial basado principalmente en la recopilación de la información, obtenida mediante la revisión de fuentes bibliográficas y artículos de investigación, análisis de normativas, estudio de memorias relacionadas, y ejemplos de implementación en construcciones. Se procede al análisis de los suelos expansivos, principalmente de sus características y propiedades, reconocimiento e identificación, diferenciación con otros tipos de suelo similares y visitas a terreno. A continuación, se aborda el análisis de sistemas de solución y control, a partir de alternativas desarrolladas y aplicadas tanto en Chile como en el extranjero, generando una propuesta de métodos de solución y control para la construcción. Finalmente se entrega una conclusión respecto a características del suelo expansivo y sistemas de solución, que permitan el uso de estos suelos en la construcción de obras civiles. A partir de esta metodología, es posible decir, que se desarrolla el cuerpo principal del trabajo de tesis, y en las cuales se sustenta el estudio del comportamiento de los suelos expansivos y soluciones adoptadas.
5
1.5. 1.5.
Expansió n urbana urb ana y necesid ad de suelo: suelo :
El crecimiento horizontal de las ciudades es uno de los factores más importantes en la ocupación de suelos. Dentro de las alternativas para reducir el impacto del crecimiento de la población y por ende la densificación urbana de la región, está la construcción en altura y el uso de suelo en zonas periféricas de la ciudad. Tal es el caso de la zona norte de la región, la cual se encuentra alejada del centro de la ciudad, y en la cual se ha identificado la presencia de las arcillas expansivas.
Figura 1-1. 1-1. Expansió n urbana en en la Región Región Metro Metro pol itana. Fuente: Plataforma Urbana, columna Crecimiento de Santiago desde 1960.
6
1.6.
Efectos
perjudiciales
de
las
arcillas
expansivas
sobre
las
const ruccio nes livianas. livianas.
Una construcción ligera asentada sobre este tipo de suelo experimentará deformaciones causadas por la expansión de las arcillas. Dichas repercusiones se traducen en grietas sobre muros y el levantamiento de pisos. Los terrenos expansivos que aumentan o disminuyen de volumen debido a los cambios de humedad, son conocidos por producir daños, causando problemas estructurales a través de distorsiones angulares excesivas producidas tanto por hinchamiento como por asentamientos diferenciales entre diversas partes de la estructura. Las estructuras más afectadas por problemas de expansividad o retracción suelen ser edificaciones ligeras con cimentaciones continuas o losas, viviendas unifamiliares, naves industriales, etc. Estos daños producidos en el mejor de los casos, suelen pasar desapercibidos debido a que no tienen un efecto catastrófico y no se manifiestan hasta un periodo largo de tiempo. Además, la consecuencia de estos no produce daños importantes en la vida humana. Sin embargo, los daños económicos pueden ser elevados. Si una estructura está cimentada directamente sobre arcillas expansivas y existe la posibilidad de que cambie el contenido de humedad de estas, se producirán movimientos en los apoyos que pueden causar grandes daños a la estructura. Las cimentaciones construidas sobre esas arcillas pueden estar sometidas a grandes fuerzas de empuje causadas por la expansión. Estas fuerzas pueden provocar el levantamiento, agrietamiento y rotura de la cimentación.
7
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO 2.1.
Introducción.
La estabilidad de las estructuras situadas sobre suelos expansivos, se ven afectadas por el fenómeno de la expansión de las arcillas a causa del hinchamiento producido por la humedad o el contacto de las partículas de suelo con el agua. El efecto producido por este tipo de suelo, afecta la seguridad de las estructuras, las cuales podrían llegar al punto de quedar inutilizadas o en el peor de los casos llegar al colapso. Frente a estos efectos las alternativas de reparación de las estructuras conllevarían un alto costo de inversión, que se igualaría al de la reconstrucción. Por este motivo, motivo, este trabajo de título, título, tiene como como objetivo primario exponer los métodos utilizados para verificar o descartar la presencia de estos suelos, y estimar sus efectos sobre las estructuras, dando a conocer alternativas de solución y control, que permitan la estabilización del suelo de apoyo. El efecto de expansión o hinchamiento del suelo no se producirá bajo una carga elevada, por ello el impacto de los suelos expansivos se ve en cierto modo controlado para el caso de la edificación en altura, considerando también que para este tipo de edificación, la construcción de subterráneos requiere de la excavación o retiro de gran cantidad de metros cúbicos de terreno. Esta acción minimiza la probabilidad de encontrar presencia de suelos expansivos. Por este motivo, se infiere que el efecto de los suelos expansivos puede ser acotado al estudio del comportamiento de obras de menor peso por unidad de área, como como lo son las edificaciones en extensión ya sea sea viviendas habitacionales, obras viales, obras obras industriales, entre otras.
8
2.2. 2.2.
Defini Definició ció n y característi cas de los suelos expansivo s.
Los suelos expansivos corresponden al conjunto mineralógico mineralógico de partículas finas muy pequeñas denominadas arcillas plásticas, las cuales poseen la particularidad de expandirse considerablemente en contacto con el agua o humedad, y contraerse con la pérdida o ausencia de la misma. misma.
Figura 2-1. 2-1. Suelo Suelo arcill oso d e característic características as expansivas Fuente: Fotografía propia
La arcilla es un material fino de carácter cohesivo. Sus partículas pasan el tamiz ASTM N° 200, que corresponde a 0,074 mm, y presenta una plasticidad que depende del contenido de humedad. Algunos componentes de la arcilla tienen la característica de hidratarse. Al hidratarse genera que su nueva composición aumente considerablemente de volumen. Este cambio de volumen depende de tres condiciones, estas son: la estructura de los cristales, cristales, la composición composición mineralógica y la capacidad de cambio cambio de cationes. Además, su comportamiento se caracteriza principalmente por: el efecto de contracción de las arcillas debido al secado de la masa de suelo, la 9
expansión de las arcillas al humedecerse, y el desarrollo de presiones de expansión cuando se encuentran confinadas y no pueden expandirse. 2.3. 2.3.
Estructura y Componentes mineralógicos de las arcillas expansivas expansivas
Los minerales arcillosos son formados principalmente por la meteorización química de las rocas, es decir, que son producto de la alteración de minerales preexistentes en la roca. Estos minerales son tan diminutos que sólo pueden ser vistos utilizando un microscopio electrónico. Los principales elementos químicos constituyentes de estos minerales son átomos de silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrógeno y oxígeno. Estos elementos atómicos se combinan formando estructuras atómicas básicas, que combinándose entre sí forman láminas, las que al agruparse dan lugar a estructuras laminares que, al unirse por medio de un enlace, forman un mineral de arcilla.
Figura 2-2. Estructuras atómicas básicas de los minerales de arcilla Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial Continental S.A. (CECSA). México, 1994.
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La Figura 2-2 muestra las dos unidades estructurales básicas de los minerales de arcilla, que son: la unidad tetraédrica constituida por un ión de silicio rodeado por cuatro átomos de oxígeno (Figura 2-2.a), y la unidad octaédrica formada por un ión central de aluminio o magnesio rodeado por seis iones de oxidrilo (Figura 2-2.b). En ambos casos, el metal con valencia positiva está situado en el interior, mientras que los iones no metálicos con valencia negativa forman el exterior. Las estructuras laminares mostradas en la Figura 2-3, se forman cuando varias unidades atómicas básicas se enlazan covalentemente mediante los iones de oxígeno u oxidrilo. Entre las estructuras laminares, se tiene la lámina tetraédrica y la octaédrica.
Figura 2-3. 2-3. Láminas formadas por estructuras atómic as básicas Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial Continental S.A. (CECSA). México, 1994.
En la Figura 2-3.a, se muestra una lámina tetraédrica llamada sílice, que está formada por tetraedros enlazados que comparten dos átomos de oxígeno. La 11
forma simbólica de representar esta lámina es por medio de un trapecio. La Figura 2-3.b, muestra una lámina octaédrica formada por octaedros de aluminio enlazados que forman una estructura dioctaédrica llamada alumina o gibsita. Simbólicamente está representada por un rectángulo con letra G. La lámina de la Figura 2-3.c, corresponde a una lámina formada por octaedros de magnesio que forman una estructura trioctaédrica llamada brucita. Simbólicamente está representada por un rectángulo con letra B. La separación entre los iones externos de las láminas de tetraédricas y octaédricas, es suficiente para que ambas láminas puedan unirse por medio de iones oxígeno u oxidrilo mutuamente. Esto hace posible la formación de estructuras laminares de dos o de tres láminas. En la Figura Figura 2-4, se muestra muestra estas estructuras. En la estructura de dos láminas mostrada en la Figura 2-4.a, las láminas tetraédricas y octaédricas están alternadas, mientras que la de tres láminas mostrada en la Figura 2-4.b consiste de una lámina octaédrica emparedada entre dos láminas tetraédricas. Estas dos formas de estructuras laminares, son generales para formar las distintas variedades de minerales de arcilla.
Figura Figur a 2-4. 2-4. Estruct uras Lamin ares Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial Continental S.A. (CECSA). México, 1994. 12
La variedad de los minerales de arcilla, depende de la distribución de estas estructuras laminares, así como del tipo de iones que proveen el enlace de las mismas. La Figura 2-5, muestra los minerales de arcilla más comunes.
Figura Figur a 2-5. 2-5. Minerales Minerales d e arcilla Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial Continental S.A. (CECSA). México, 1994.
Se identifican como suelos expansivos, propiamente tales, aquellos que tienen entre sus componentes, componentes, minerales como como la caolinita, ilita, ilita, montmorillonita y vermiculita. Estos minerales arcillosos tienen la capacidad de contraerse cuando pierden humedad y de expandirse cuando la absorben. La abundante variedad de estos minerales de arcilla, está bastante relacionada a las estructuras que se muestran en la Figura 2-5, por lo que se pueden identificar estos cuatro grupos de minerales arcillosos.
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2.3. 2.3.1. 1. Grupos Grupo s de minerales arcillo sos 2.3. 2.3.1. 1.1. 1. Grupo de la c aolinit a:
Las caolinitas son producto de la meteorización del feldespato ortoclasa proveniente del granito, y comúnmente se encuentran en suelos compuestos de sedimento. La caolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamaño pequeño. Su estructura consiste en una distribución de dos láminas de sílice y gibsita fuertemente enlazadas (Figura 2-5.a). Algunos minerales de arcilla que pertenecen a este grupo son: la dickita que tiene la misma composición de la caolinita pero con un orden diferente en sus láminas, y la halosita que generalmente aparece en algunos suelos tropicales, cuyas láminas en forma tubular están enlazadas por moléculas de agua (Figura 2-5.b).
2.3.1.2. Grupo de la ilita:
La ilita es el resultado de la meteorización de las micas. Es similar en muchos aspectos a la mica blanca, pero tiene menos potasio y más agua en su composición. Se presenta en forma de hojuelas, y su estructura consiste en arreglos de tres láminas de gibsita con los iones de K, proporcionando el enlace entre láminas adyacentes de sílice como muestra la Figura 2-5.c. Debido a que el enlace es más débil que el de la caolinita, sus partículas son más pequeñas y delgadas.
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2.3. 2.3.1. 1.3. 3. Grupo d e la mont mori llonita: llo nita:
La montmorillonita es el constituyente principal de la bentonita y otras variedades similares de arcilla. Las montmorillonitas suelen ser el resultado de la meteorización del feldespato plaglioclasa, en los depósitos de ceniza volcánica. Su estructura fundamental consiste de distribuciones de tres láminas, cuya lámina octaédrica intermedia es casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos enlaces metálicos además del potasio (K), forman enlaces débiles entre las láminas como muestra la Figura 2-5.d. Una característica particular de los minerales del grupo de la montmorillonita, es su considerable aumento de volumen al absorber partículas de agua. 2.3. 2.3.1. 1.4. 4. Grup Grupo o d e la vermicu lita: lit a:
Este grupo contiene productos de la meteorización de la biotita y la clorita. La estructura de la vermiculita es similar a la montmorillonita, excepto que los cationes que proporcionan los enlaces entre láminas son predominantemente Mg, acompañados por algunas moléculas de agua como muestra la Figura 2-5.e.
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2.4. 2.4. Causas que origin ori ginan an su compo rtamiento .
El comportamiento y la incidencia de los materiales expansivos en los daños experimentados por las estructuras, fueron identificados recién cerca de la década de 1930 por especialistas en el estudio de suelos y fundaciones. A partir de allí, se comienza a reconocer que muchas de las patologías de las estructuras, que eran atribuidas a asentamientos asentamientos del suelo u otros otros problemas, se debían en realidad a un fenómeno de hinchamiento. 1 2.4. 2.4.1. 1. Fenómeno y compo co mportamiento rtamiento químico de las arcillas arcill as expansivas.
El fundamento del fenómeno de las arcillas expansivas se encuentra en el desarrollo de cargas eléctricas al interior de la matriz de suelo, que contrarrestan a las fuerzas de gravedad que se ejercen por el peso propio del suelo y la estructura. Adicionalmente, estas cargas eléctricas tienen la facultad de retener humedad, lo que impide el desarrollo de la permeabilidad (que ya es limitada en las arcillas), en diferentes medidas de acuerdo a la humedad de equilibrio.
1 Primera jornada de Ing. de cimentaciones - Julio Patrone y José Perfumo. 16
2.4. 2.4.2. 2. Teoría qu ímico-eléctri ca:
Esta teoría se basa en otro fenómeno especial de los suelos, y en específico de los suelos arcillosos por la forma y el tamaño de las partículas de arcilla. Las partículas de arcillas son como “hojas de papel”, tienen una gran área y un microscópico espesor que sólo puede medirse en Å (Angström). Esta forma le confiere la propiedad de cargarse eléctricamente positiva o negativamente. Esta carga eléctrica le permite adsorber una capa de agua llamada “capa adsorbida”, que se considera parte de la estructura molecular de la partícula. Esta capa adsorbida puede incorporar capas y más capas de agua. Cuando la distancia entre las partículas con sus anillos de agua disminuye se producen atracciones y repulsiones electroquímicas que dan origen al fenómeno de la expansión o hinchamiento.
Figura 2-6 Diagrama de atracción y repulsión electro-química
La hidratación de las partículas de arcilla, se produce por la absorción de agua en el espacio interlaminar, generando como consecuencia la separación de las láminas dando origen al hinchamiento.
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2.4. 2.4.3. 3. Influencia de la succ ión en el hinch amiento d e un suelo expansi vo
Los movimientos de los suelos derivados de las variaciones de humedad, son propios de los suelos no saturados. En una arcilla expansiva situada bajo el nivel freático, el cambio potencial de volumen por este concepto es nulo. El campo de succiones existentes en el terreno natural, está íntimamente ligado al potencial de hinchamiento del suelo. En términos generales, cuanto mayor sea la succión de un suelo, mayor será el cambio cambio potencial de volumen de éste, y por ende más peligrosos serán los efectos sobre las estructuras fundadas en él. La variación que experimenta la succión del suelo inicialmente seco, al absorber agua, corresponde a un fenómeno que viene acompañado de un hinchamiento importante. Esto se ve reflejado en el origen de las grandes grietas y fisuras, que son características de los suelos expansivos en estado seco. 2.4. 2.4.4. 4. Influencia del gr ado de pre conso lidació n
El grado de pre-consolidación del suelo corresponde a un factor influyente en forma importante sobre el potencial de hinchamiento de una arcilla expansiva, en arcillas normalmente consolidadas, se ha observado que el hinchamiento de una muestra inalterada resulta del mismo orden que el hinchamiento que presenta la muestra remoldeada con el mismo contenido de humedad. Sin embargo, en suelos preconsolidados, la destrucción de uniones del tipo diagenético que origina el remoldeo, puede conducir, en este caso, a potenciales de hinchamiento muy superiores en las muestras perturbadas, sobrestimando así el potencial del terreno natural. Por esta razón es que los ensayos de hinchamiento se ejecutan en probetas talladas en estado natural.
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2.4. 2.4.5. 5. Influ Influencia encia d e la cementació n
La presencia de los elementos cementantes en un suelo expansivo, por ejemplo carbonatos sílices, son favorables. Incluso si el grado de cementación es alto, el hinchamiento de la muestra no perturbada puede ser pequeño o prácticamente nulo. 2.4. 2.4.6. 6. Humedad de equi equilib librio rio y el potencial pot encial de hinch amiento.
Dentro de los factores de análisis más representativos en el estudio de los suelos expansivos, se encuentra la humedad de equilibrio y el potencial de hinchamiento. 2.4. 2.4.6. 6.1. 1. Humedad Humedad de equi lib rio
Corresponde a la humedad a la cual se encuentra un suelo si todas las condiciones fuesen constantes, con una capa freática a una cierta profundidad y una evaporación constante en la superficie. Un suelo presenta una humedad distinta durante el tiempo ya sea en forma diaria, estacionaria o anual. Por esta razón, resulta difícil encontrar la humedad de equilibrio de un suelo, por el hecho de tener que tomar muestras del suelo a cierta profundidad cada día de cada estación del año, más aún durante todo el período de retorno de la región a estudiar. El contenido de humedad de equilibrio (CHE) está en función de la humedad (w) del terreno a una profundidad (z). Estos datos de cada muestreo se representan en una gráfica donde las abscisas corresponden a la profundidad y las ordenadas a la humedad, donde los puntos se ajustan y forman una línea. De las líneas obtenidas se determina la media y se obtiene una línea resultante cuya intersección con las ordenadas determina la humedad del suelo2. 2 Primera jornada de Ing. de cimentaciones - Julio Patrone y José Perfumo. 19
Figura 2-7 Gráfico determinación de humedad de equilibrio. Fuente: Capitulo 2, Problemas de cimentación sobre suelos expansivos y colapsables.
2.4. 2.4.6. 6.2. 2. Potencial d e hinchamiento hin chamiento
La expansividad del suelo es una propiedad física que consiste en la aparición de hinchamiento del suelo, cuando este aumenta su volumen por la presencia de agua. Siendo una característica a evaluar mediante la determinación del potencial de expansión propio de una muestra. El potencial expansivo o de hinchamiento de un suelo, depende de las siguientes variables:
La composición mineralógica de la arcilla
Índice de plasticidad
Variación de humedad
El peso especifico seco del suelo
Potencial del estrato activo
Fatiga de la expansión
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2.5. 2.5. Facto Facto res que int ervienen en el el fenómeno fenóm eno de d e la expans expansión ión 2.5. 2.5.1. 1. La compo sición sici ón mineralógi mi neralógi ca de la arcilla
La composición mineralógica de la arcilla se refiere a la naturaleza y tipo de arcilla analizada, correspondiente principalmente al porcentaje de illita, caolinita y montmorillonita presentes en una muestra, las las cuales resultan fundamentales fundamentales en la evaluación del potencial expansivo del suelo en estudio. De este modo, reafirmando lo expuesto anteriormente, los suelos expansivos por excelencia son aquellos que poseen un alto porcentaje de montmorillonita.
Figura 2-8. Relació Relación n entre el porc entaje de expansi ón y el co mponente mpon ente de arcilla. Fuente: Arellano C. Guillermo, Caracterización de los suelos expansivos. Perú, 2008.
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2.5.2. 2.5.2. Índic e de Plasti cid ad (IP). (IP).
El Índice de plasticidad se define como la diferencia numérica entre el Límite Liquido y el Límite Plástico. Un Índice de plasticidad bajo, como por ejemplo del 5%, significa que un pequeño incremento en el contenido de humedad del suelo, lo transforma de semisólido a la condición de líquido, es decir, resulta muy sensible a los cambios de humedad. Por el contrario, un índice de plasticidad alto, como por ejemplo del 20%, indica que para que un suelo pase del estado semisólido al líquido, se le debe agregar gran cantidad de agua. En suelos no plásticos, no es posible determinar el Índice de plasticidad. El díagrama de plasticidad indicado en la figura siguiente, según los Límites de Atterberg, permite diferenciar el índice de plasticidad de limos y arcillas, en función del Límite Líquido. El Índice de plasticidad define el campo plástico de un suelo y corresponde, por lo tanto, a un parámetro influyente en la determinación del potencial de expansividad.
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Carta Carta de Plasticidad de Casagrand Casagrande e para suelos c ohesivos ohesi vos..
Figura Figu ra 2-9. Carta Carta de Plast icidad ic idad d e Casagr Casagr ande (según (seg ún ASTM D-2487-9 D-2487-93) 3)
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2.5. 2.5.3. 3. Límites de Consistencia Consis tencia de Atterberg. Atterb erg.
Límite líquido
Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento normalizado en que una mezcla de suelo y agua, capaz de ser moldeada, se deposita en la Cuchara de Casagrande, y se golpea consecutivamente contra la base de la máquina, haciendo girar la manivela, hasta que el surco que previamente se ha recortado, se cierre en una longitud de 12 mm (1/2"). Si el número de golpes para que se cierre el surco es 25, la humedad del suelo (razón peso de agua/peso de suelo seco) corresponde al límite líquido.
Límite plástico
Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento normalizado pero sencillo consistente en medir el contenido de humedad para el cual no es posible moldear un cilindro de suelo, con un diámetro de 3 mm. Para esto, se realiza una mezcla de agua y suelo, la cual se amasa entre los dedos o entre el dedo índice y una superficie inerte (vidrio), hasta conseguir un cilindro de 3 mm de diámetro. Al llegar a este diámetro, se desarma el cilindro, y vuelve a amasarse hasta ha sta lograr nuevamente un cilindro de 3 mm. Esto se realiza consecutivamente hasta que no es posible obtener el cilindro de la dimensión deseada. Con ese contenido de humedad, el suelo se vuelve quebradizo (por pérdida de humedad) o se vuelve pulverulento. Se mide el contenido de humedad, el cual corresponde al límite plástico.
Límite de contracción
Esta propiedad se manifiesta cuando una pérdida de humedad no trae consigo un cambio de volumen. Es el contenido de humedad entre los estados de consistencia semisólido y sólido. Para su obtención en laboratorio se seca una porción de suelo (humedad inicial y volumen inicial conocidos) a 105ºC/110ºC y se calcula la humedad perdida. 24
Figura 2-10 2-10 Diagrama Límites de Cons Cons istencia istenci a de Atterberg. Fuente: Elaboración Propia
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2.5. 2.5.4. 4. La variación de hum edad
La variación en el contenido de humedad del suelo, es un factor fundamental en la expansión del mismo. Por más montmorillonita que esté compuesta una arcilla, si no hay variación en el contenido de humedad del suelo, no habrá cambios volumétricos. No es necesario que el suelo se sature completamente para que produzca expansión del mismo. Por el contrario, en determinados casos, es suficiente con variaciones en el contenido de humedad del suelo de sólo 1 o 2 %, para causar hinchamientos y producir daños en las estructuras. El contenido de humedad inicial del suelo controla la magnitud del asentamiento. En arcillas con contenido de humedad por debajo del 15%, se espera un riesgo de expansión alto, pues fácilmente pueden llegar a absorber contenidos de humedad humedad de 35% con los consecuentes consecuentes daños estructurales. Por el contrario, en arcillas cuyo contenido de humedad está por encima del 30% indica que la mayoría de la expansión ya ha tenido lugar, y sólo es esperable algún leve hinchamiento remanente. 2.5. 2.5.5. 5. Capil Capil aridad del suelo ante la presenci a de nivel freático: freático :
La capilaridad es un fenómeno físico característico de los líquidos, que se estudia con un “tubo capilar” (tubo de vidrio de pequeño diámetro) introducido en un recipiente que contiene al líquido. La capilaridad es el fenómeno que permite que el líquido ascienda dentro del tubo, en contra de la gravedad, hasta una altura llamada altura capilar. Esta altura capilar dependerá de la tensión superficial, la fuerza de adhesión adhesión entre el líquido y el material del tubo capilar (ángulo de contacto, α) y el diámetro del tubo capilar. Este mismo fenómeno se presenta en
los suelos con presencia de nivel nivel freático. Del nivel freático freático hacia arriba, se desarrolla una altura capilar, es decir, que el agua asciende a través de los poros del suelo y se forma una franja capilar. En esta franja capilar, el suelo está 26
saturado pero con una presión de agua negativa. En el modelo mecánico el diámetro del tubo capilar es análogo al diámetro de los vacíos o poros formados por las partículas de suelo. Por lo tanto, se establece que la altura capilar en los suelos de grano fino es mayor que en los suelos de grano grueso. Esto explica que el fenómeno de capilaridad se produzca con mayor potencial en los suelos arcillosos. Así la altura capilar en las arcillas expansivas puede alcanzar grandes valores generando saturación en gran parte de la masa de suelo situada por encima de la presencia de nivel freático. La saturación del suelo puede llegar, en ciertos casos, a alcanzar partículas muy distantes del nivel freático, producto de la humedad, a causa de un alto potencial de ascenso por capilaridad. 2.5.6. 2.5.6. Densidad Densid ad seca
Las arcillas densas se expanden más y presentan mayores presiones de expansión que las de menor densidad, con el mismo contenido de humedad inicial. Los suelos expansivos con densidades secas superiores a los 1,75 ton/m3, generalmente exhiben altos potenciales de expansión. Puesto que las densidades secas se reflejan en las resistencias a la penetración estándar, las arcillas expansivas con valores de "N" inferiores a 15 indican densidades secas bajas y riesgo expansivo bajo. Mientras que para resistencias superiores a los 15 golpes generalmente poseen un alto potencial de expansión.
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2.5. 2.5.7. 7. Potencial del estrato activo
La profundidad en un suelo a la que ocurren cambios periódicos de humedad se llama zona activa, correspondiente a la faja de terreno de arcillas plásticas, que causan un efecto sobre la estructura. Se ha estudiado mediante ensayos de laboratorio, el efecto del espesor del estrato en la magnitud total del hinchamiento. Los resultados de estos muestran que la magnitud del cambio volumétrico experimentado por el suelo es proporcional al espesor del estrato. Si un estrato expansivo posee un espesor muy delgado (generalmente menor de 60 cm.), es factible esperar un daño relativamente relativamente pequeño sobre las estructuras. Además cabe destacar que el espesor del estrato está limitado por la profundidad del nivel freático, ya que se espera que debajo de él no existan variaciones de humedad.
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2.5.8. 2.5.8. Fatiga de la expansió exp ansió n
Al igual que para el potencial del estrato activo, la fatiga de la expansión ha sido estudiada mediante ensayos de laboratorio, sobre muestras sometidas a ciclos de saturación y secado, las cuales mostraron señales de fatiga después de varios ciclos. Este fenómeno no ha sido todavía suficientemente investigado. Pero se ha advertido que en pavimentos sometidos a variaciones estacionales en el contenido de humedad, este tiende a un cierto punto de estabilización luego de un cierto número de años. En el gráfico adjunto se puede ver una curva de fatiga típica de las obtenidas en ensayos de laboratorio.
Figura 2-11 2-11 Gráfico Gráfico c urva de fatiga de la expansió n del suelo t ras ciclo s de saturación y secado. Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera P rimera jornada de ingeniería de cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo. 29
2.6. Evaluación del potencial expansivo
La evaluación del potencial expansivo del suelo se clasifica en dos grandes categorías, las cuales se establecen como métodos indirectos y directos. Mientras que su desarrollo y explicación se presentan en el capítulo 3 correspondiente a métodos de identificación. Método Método s indi rectos d e determinación determinación del po tencial expansivo expansivo del suelo.
La determinación del potencial expansivo mediante métodos indirectos se basa en los ensayos de Límite de Atterberg, la contracción lineal, el contenido coloidal y cambio de volumen potencial (PVC), entre otros. Método Método s dir ectos de la expansión del s uelo.
Estos métodos consisten en medir la expansión del suelo al saturarlo bajo diferentes condiciones de carga, graficándose las variaciones de hinchamiento para diferentes presiones aplicadas. Es universalmente aceptado que los dos parámetros que definen el potencial de hinchamiento son: -
Presión de hinchamiento
-
Hinchamiento libre
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CAPÍTULO 3 MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN 3.1.
Generalidades.
En la identificación de los suelos expansivos se debe distinguir entre los suelos que tienen la facilidad de expandirse, y los que realmente presentan características expansivas en terreno. A su vez, los suelos con capacidad de expansión pueden o no hacerlo, y su comportamiento dependerá de la condición física del material en que se funda la construcción y de los cambios de esfuerzo y humedad a los que esté sometido. El fenómeno en los suelos expansivos implica no solamente la tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta el contenido de agua, sino también la disminución de volumen o contracción si el agua se pierde.
3.2. 3.2.
Identificación Identific ación Visual
Los suelos expansivos tienen una consistencia pegajosa al ser mojados. Además se caracterizan porque al secarse muestran grietas superficiales y poseen alta plasticidad. Si se observa el terreno se encuentran grietas, las cuales se deben al fenómeno de expansión y contracción que sufre la superficie de estos suelos cuando varía su humedad, de alta a baja. Mediante la inspección visual del terreno, se puede identificar características varias de los suelos expansivos como por ejemplo: En estado seco, presenta grietas superficiales producto del ciclo de variación de humedad, aspecto de terrón y alta dureza. Al cortarlo presenta un aspecto vidriado. En estado 31
húmedo, el suelo es muy blando y algo pegajoso (en presencia de limos), dejando un residuo en los dedos luego de amasarlo.
Figura 3-1. Identificació n Visual, estrato de arcill a expansiva. Fuente: Imagen Propia
3.3. 3.3.
Identificación Identific ación mineralóg ica
Existen varios métodos para la identificación mineralógica. Dentro de los más utilizados y recomendados se tiene: 3.3. 3.3.1. 1. La Difracció n de Rayos X
Este método permite conocer la composición mineral del suelo que constituye la muestra a ensayar. La utilización de Rayos X, sirve como herramienta de análisis y caracterización de materiales cristalinos, ya sea en estado sólido o granulado.
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3.3. 3.3.2. 2. El análisis térmico diferencial
Mide la diferencia de temperatura entre la muestra y un material inerte de referencia, mientras son sometidos al mismo programa de temperaturas. El horno va incrementando la temperatura en forma gradual de tal forma, que el material ensayado incorpora energía hasta un punto en el que se produce la reacción absorbiendo o cediendo calor, con el consiguiente cambio de ritmo de incremento de la temperatura. Tanto el incremento gradual de la temperatura, así como las variaciones que producen las reacciones, son registradas por un sistema de termocuplas, mostrando el patrón que corresponde al material estudiado. Esto se explica debido a que cuando las arcillas son sometidas a un incremento de temperatura, sufren alteraciones que se traducen en pérdidas de peso, reacciones endotérmicas y exotérmicas, transformaciones mineralógicas, dilataciones y contracciones, las cuales proporcionan datos que permiten caracterizar el tipo de arcilla. 3.3. 3.3.3. 3. El análisis q uímico y la absorc ión de tint e
Consiste en aplicar un tratamiento químico termo ácido a una arcilla natural, la cual se activa mediante esta solución, para posteriormente ser probada como material absorbente de colorante. Se realiza un seguimiento de los efectos de la activación sobre la estructura y composición de la arcilla, para finalmente caracterizar su composición mineralógica de acuerdo a su respuesta ante las situaciones sometidas. 3.3. 3.3.4. 4. La micro scopia sco pia electró electró nica
El estudio por microscopía electrónica de barrido (sem), consiste en la observación con aumentos (X), que varían desde X200 hasta X10000 aumentos, sobre una muestra. De este modo, se puede conocer su conformación general, y
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se obtiene información relacionada a la morfología de los materiales y sus dimensiones. Acorde a lo establecido anteriormente en el contenido de esta memoria, dentro de los grupos más importantes en que se clasifican los minerales arcillosos se tiene: illita, caolinita y montmorillonita, compuestos por hidroaluminosilicatos, los cuales pueden ser detectados mediante los ensayos mencionados, permitiendo determinar la presencia de cada especie o grupo mineralógico, siendo concluyente la detección de montmorillonita, especialmente porque es el mineral predominantemente expansivo dentro de estas categorías. “El procedimiento hoy más conveniente es la difracción de Rayos X, pues el análisis térmico diferencial no permite obtener definiciones concretas y el microscopio electrónico, especialmente el de barrido, en general entrega información respecto a las partículas contempladas, pero el campo es tan pequeño que no permite un juicio seguro sobre el conjunto, ya que los suelos presentan una mezcla de diversas especies.”3
Figura 3-2 3-2 Identificación Identificación min eralógic eralógic a por micros cop ia electrónica electrónica Fuente: coleccion.educ.ar 3 Jiménez Salas, José A. “Geotecnia y Cimientos III. Primera Parte. Cimentaciones, Excavaciones y Aplicaciones de la Geotecnia”. Editorial Rueda, Madrid 1980. 34
3.4. 3.4.
Identificación por métodos indirectos
Estos métodos consisten en determinar el potencial expansivo del suelo de una forma cualitativa, en base a medidas directas de la expansión del suelo sobre muestras remoldeadas compactadas en condiciones prefijadas de humedad y densidad.
Este tipo tipo de identificación se basa en los ensayos de Límite de
Atterberg, la contracción lineal, el contenido coloidal y cambio de volumen potencial (PVC), entre otros. 3.4.1. 3.4.1. Métod o de Lambe
Del ensayo de Lambe, se obtiene el índice PVC, correspondiente al método de medida del cambio volumétrico, el cual se interpreta de la siguiente manera: Tabla 1.1: 1.1: Índi Índice ce cambio p otencial otenci al de volumen del ensayo Lamb e
Fuente: Jiménez Salas, José. Geotecnia y Cimientos III. Cimentaciones, Excavaciones y Aplicaciones de la Geotecnia”. Editorial Rueda, Madrid 1980.
3.4. 3.4.2. 2. Índic e de plasti cidad
Las características plásticas de los suelos, considerando tanto el límite líquido y límite plástico, pueden ser usadas como un indicador primario de las características expansivas de las arcillas. Es natural pensar en una relación como la antes mencionada, ya que ambas dependen de la cantidad de agua que absorbe una arcilla.
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Así, se establece el siguiente criterio para evaluar el potencial de hinchamiento según el índice de plasticidad. Tabla 1.2 1.2:: Relación Relación entre el potenci al de hinchamiento y el índice de plasticidad.
Fuente: Jiménez Salas, José. Geotecnia y Cimientos III. Cimentaciones, Excavaciones y Aplicaciones de la Geotecnia”. Editorial Rueda, Madrid 1980.
3.4. 3.4.3. 3. Contracci Cont raccion on de las arci arcillas: llas:
El Límite de Contracción es la propiedad que se manifiesta cuando una pérdida de humedad no trae consigo un cambio de volumen. Es el contenido de humedad entre los estados de consistencia semisólido y sólido. Así, se establece el siguiente criterio para evaluar el potencial de hinchamiento según el límite de contracción y la contracción lineal de las arcillas. Tabla 1.3. 1.3. Potencial expansiv o y contracc co ntracc ión de d e las arci arcillas. llas.
Fuente: Badillo Juárez, Rodríguez Rico.. “Mecánica de Suelos Suelo s – Tomo II Teoría y Aplicaciones de la Mecánica de Suelos”. Editorial Limusa. 1989, México.
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3.4. 3.4.4. 4. Contenido de Colo Coloides ides
Dentro de los materiales que tienen un tamaño inferior a 74 micras están los limos y las arcillas. Desde el punto de vista del tamaño se consideran arcillas aquellos materiales que tienen un tamaño inferior a 2 micras (0.002 mm), siendo necesario para su determinación la realización de un ensayo hidrométrico. La magnitud de la expansión que experimenta experimenta una arcilla arcilla está vinculada con la cantidad de partículas de tamaño tamaño arcilla presente en el suelo.
Figura 3-4. 3-4. Identificación Identificación p or método s indirecto s. Contenido Contenido d e coloides comparación de tamaño de partículas. Fuente: Elaboración Propia
Así se ha establecido una relación del tipo: tipo: S = k CX Dónde: S = Hinchamiento potencial, expresado como % del hinchamiento de una muestra compactada a la humedad óptima y al P.U.S.M. ( Peso Unitario Seco Máximo) Según Proctor Estándar. C = Porcentaje de fracción arcilla (partículas menores a 0.002 mm). 37
x = exponente que depende del tipo de arcilla k = Coeficiente que depende del tipo de arcilla. x y k, indican el tipo de partículas coloidales presentes, y se determinan a través de ensayos de difracción por Rayos X. Se ha establecido, también, criterios para considerar la granulometría por sedimentación de finos, evaluando el peligro de hinchamiento de acuerdo a la siguiente clasificación: Tabla Tabla 1.4 1.4 Evaluación Evaluación del peligro de hinchamiento s egún co ntenido d e coloide
Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.
Sin embargo este criterio no tiene en cuenta la especie mineralógica de los finos presentes en las muestras analizadas, para ello se introduce la implicancia de la especie, a través del concepto de la “actividad” de las arcillas. 3.4. 3.4.5. 5. Método d el “ Índice de la activid ad de la arcilla”
El Método del “Índice de
la actividad actividad de de la arcilla”, arcilla”, está basado en
muestras remoldeadas de suelo compuestos por mezcla de arcillas, bentonita, illita, caolinita y arena fina. La expansión se midió midió como un % del hinchamiento que experimentan probetas compactadas al al 100 % del P.U.S.M.( Peso Unitario Seco Máximo) del Proctor Estándar, y con un contenido de humedad óptimo, y sometidas a una sobrecarga de 1 Psi, (0,07 kg/cm 2).
38
La actividad de la arcilla arcilla se define como: como: A = IP / (C-10) IP: Índice Plástico, C = % < 0.002 mm
Figura Figur a 3-5 Diagrama Métod Método o del “ Índice de la activid ad de la arcill a” . Fuente: Arellano C. Guillermo, Caracterización de los suelos expansivos. Perú, 2008.
Existen varios métodos que realizando diversas combinaciones de los resultados de las medidas de las propiedades antes mencionadas, clasifican en categorías los potenciales expansivos del suelo.
39
3.4. 3.4.6. 6. Métod Métod o desarrol lado por Holt Holt z y Gibbs
En el gráfico siguiente, se muestra una relación típica entre el contenido de coloides, el Índice Plástico y el Límite de Contracción:
Figura 3-6. 3-6. G Gráfico ráfico r elación típic a entre el contenid o de colo ides, el el Índice Plástico Plástico y el Límite de contracción. Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.
Basado en las curvas presentadas Holtz propone el siguiente criterio para la identificación de suelos expansivos: Tabla Tabla 1.5 1.5 Clasificación Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos.
Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo. 40
3.5. 3.5.
Identificación por métodos directos.
Los métodos directos para la identificación de suelos expansivos, consisten en saturar el suelo en diferentes condiciones de carga para poder medir la expansión que presente y graficar las variaciones de hinchazón. Se reconocen dos parámetros que definen el Potencial de Hinchamiento, los cuales son: 3.5. 3.5.1. 1. Presió n de hinchamiento
Definida como la presión aplicada en laboratorio sobre una muestra de suelo expansivo para que, una vez en contacto con agua, la probeta mantenga constante su volumen inicial, es decir que la variación de volumen sea nula. 3.5. 3.5.2. 2. Hinchamiento Hinc hamiento lib re
Definido como el porcentaje de elevación máxima para presión nula en relación a la longitud inicial de una probeta. Las medidas de estos parámetros se realizan fundamentalmente mediante pruebas edométricas o en técnicas basadas en la succión, tendiendo a simular los factores relevantes que sigue el fenómeno cuando se desarrolla in situ. Para lograr este objetivo, se ha propuesto innumerables metodologías experimentales que siguen distintas formas de operar. Las principales diferencias radican en:
Forma de simular simular las condiciones de campo campo en el edómetro
Tamaño y forma de la muestra
Valor de la humedad inicial del ensayo
Magnitud de la precarga y secuencias de cargas
Momento de saturación 41
Mecanismos para medir el hinchamiento
Número de muestras que intervienen en el ensayo. Es por esto que la abundante bibliografía internacional disponible, evidencia
marcadas discrepancias en los valores finales obtenidos, verificándose que la predicción del comportamiento resulta fuertemente influenciada por aquellas variables, más precisamente, por el camino de tensiones seguido y el criterio de saturación utilizado. Si bien estos métodos constituyen el procedimiento más adecuado para predecir la expansión del suelo, además de las dificultades señaladas, tienen el inconveniente de requerir un equipamiento bastante completo (celdas de cargas, pesas, etc.).
Figura 3-7 3-7.. IIdentificación dentificación por método s directos. Equipo edométrico para obtener parámetros de potencial de hinchamiento. Presión de hinchamiento e Hinchamiento Hinchamiento libre. Fuente: www.geotecnia.info
42
3.6. 3.6.
Análisis comparativo comparativo y efectividad efectividad de los métodos señala señalados. dos. Identificación Visual
Se caracteriza por ser superficial y usualmente usualmente se realiza en calicatas. Es muy difícil distinguir el tipo de suelo expansivo sólo observándolo, puesto que se requiere especialización y experiencia. Sólo entrega una probabilidad de aproximación
Identificación por Mineralogía
Corresponde a una Identificación relativa. Es posible que dos muestras den resultados parecidos. Se necesita un análisis exhaustivo y acabado.
Identificación p or Métodos Indirectos
Caracterización de datos muy variables. Depende del suelo que se desea analizar para obtener el método método adecuado. No en todos los tipos de suelo se entregan resultados concluyentes.
Identificación p or Métodos Directos
Corresponde al procedimiento más adecuado. Es el más preciso de todos los métodos. Tiene como desventaja el tiempo de duración y ejecución de los ensayos. Otorgan mayor precisión y veracidad en cuanto al grado de expansión del suelo.
43
3.7.
NORMATIVA CHILENA RELACIONADA RELA CIONADA
Mecánica de suelos y fundaciones: NCh179.Of1980
Mecánica de suelos - Símbolos, unidades y definiciones
NCh1508.c2008
Geotecnia - Estudio de mecánica de suelos
de suelos - Determinación de la humedad NCh1515.Of1979 Mecánica de NCh1516.Of1979 Mecánica de suelos - Determinación de la densidad densidad en el terreno – Método del cono de arena. NCh1517/1.Of1979 Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 1: Determinación del del límite líquido. NCh1517/2.Of1979 Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 2: Determinación del límite plástico. NCh1517/3.Of1979 Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 3: Determinación del límite de contracción. NCh1532.Of1980
Mecánica de suelos - Determinación de la densidad de partículas sólidas.
suelos - Relaciones humedad humedad / densidadNCh1534/1 .Of1979 Mecánica de suelos Parte1: Métodos de compactación con pisón de 2,5 kg y 305 mm de caída. NCh1534/2.Of1979 Mecánica de suelos - Relaciones humedad / densidad-Parte2: Métodos de compactación con pisón de 4,5 kg y 460 mm de caída. NCh1726.Of1980
Mecánica de suelos - Determinación de las densidades máxima y mínima y cálculo de la densidad relativa en suelos no cohesivos.
NCh1852.Of1981
Mecánica de suelos - Determinación de la razón de soporte de suelos compactados en laboratorio. (CBR)
Diseño Diseño sísmico: NCh433.Of1996
Diseño sísmico de edificios
44
CAPÍTULO 4 HISTORIA GEOLÓGICA Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS EXPANSIVOS. 4.1. 4.1.
Histor ia geológ ica y ori gen
Dentro de los conceptos básicos relativos a la formación y constitución de las arcillas expansivas, se tiene que los minerales arcillosos provienen de la meteorización química de las rocas, y su composición, que es variable, depende tanto de las rocas de que proceden como también de las condiciones climáticas en que se produjo la meteorización, y sedimentación. “Algunas de las arcillas expansivas encontradas en los sectores pre cordilleranos chilenos, estarían ligadas a procesos de meteorización de origen hidrotermal. Lo cual demuestra que la historia geológica de la formación de estos suelos está ligada a la sedimentación lenta en lagunas o cursos de agua muy lentos, otorgando características de típico color oscuro, producto de la presencia de materia orgánica, denominada vega”.
4
4 Rodríguez-Roa. Fundaciones en arcillas expansivas. 45
4.2. 4.2.
Mapa Mapa geológico geoló gico de la Regió Región n Metro Metropo politana litana
Figura 4-1 Mapa Mapa geológi co d e la Región Región Metrop olitana. olit ana. Fuente: http://es.slideshare.net/SoleRolando/entrega-clasificacin-de-suelos-rm http://es.slideshare.net/SoleRolando/entrega-clasificacin-de-suelos-rm
46
4.3. 4.3.
Delimi Delimitació tación n de la zona de estudio: estudi o: Anál An ális is is d e d o cumen cu mento to , “ Suelo de fundación del gran Santiago. Gloria
Valenzuela. Instituto de investigaciones geológicas de Chile. Boletín n°33. 1978”.
4.3.1. Unidades Geomorfológicas constituyentes del suelo de fundación de la Región Región Metrop olit ana.
Conos de depósitos fluviales
Depósitos de pumicita
Conos de deyección
Corrientes de barro
Sedimentos fluviales de afluentes menores
Depósitos lacustres: Se encuentran en el sector norte de la zona. Su origen se debe a la existencia de condiciones topográficas especiales, representada por pequeñas depresiones en las cuales se produce una circulación restringida de agua superficial que arrastra y deposita sólo sedimentos finos del tipo limo y arcilla.
4.3. 4.3.2. 2. Clasificación Clasific ación d e Suelos Suelos d e Fundaci Fundaci ón del d el Gran Gran Santiago Santiago .
Relleno artificial
Depósitos aluviales recientes
Depósitos de escombros de falda
Depósitos de corrientes de barro
Depósitos de conos de deyección
Arenas de lampa y colina
Depósitos de pumicita
Ripio del Mapocho
Ripio de Santiago 47
Zona de contacto y transición
Roca fundamental
Finos del noroeste
4.3. 4.3.3. 3. Fino s del noro este:
La delimitación de la zona de estudio, corresponde principalmente a la zona en que se encuentran presentes los suelos denominados Finos del Noroeste. Esta clasificación de suelos de fundación, es la principal área de la región, en que se localizan las arcillas expansivas estudiadas en esta memoria. Clasificación del suelo según U.S.C.S:
ML- CL – CH - MH Origen Origen y descripción:
Unidad constituida principalmente por lentes de limo y arcilla, con algunos lentes de poco espesor de arena fina limosa, grava y ceniza volcánica. La unidad, en general, presenta color pardo amarillento pálido con variación a pardo oscuro que depende de su composición mineralógica, dada principalmente por feldespatos,
cuarzo,
ferromagnesianos,
minerales
magnéticos
y
vidrio.
Determinaciones mediante Rayos X establecen que la fracción fina está constituida principalmente por montmorillonita e illita. Los materiales se han originado por un represamiento progresivo del drenaje, debido al desarrollo de los conos correspondientes a los ríos Mapocho, Lampa y el estero Colina.
48
Caracterí Característi sti cas como su elo de fundación:
Son adecuados para estructuras livianas, si se desea emplazar estructuras mayores, es necesario efectuar un estudio previo de diseño para las fundaciones, considerando lenticularidad, posición del nivel freático, compresibilidad y permeabilidad. Permea Permeabili bili dad y ni vel freático: freático:
Sumamente baja, en promedio tiene un valor de 10 -6 cm/seg. El nivel freático se encuentra, en general, a poca profundidad de la superficie (menos de 1 m.) y en algunos sectores aflora constituyendo zonas de vegas. Como en los sectores de Lampa y Pudahuel. Excavabilidad:
Debido a su baja consistencia se pueden excavar fácilmente con herramientas manuales. Conclusión:
Suelos de malas características de fundación, las que deben ser cuidadosamente estudiadas en relación a su compresibilidad y resistencia.
49
Figura Figur a 4-2. 4-2. Suelos de fund ación d e Santiago Santiago Fuente: “Suelo de fundación del gran Santiago. Gloria Valenzuela. Instituto de investigaciones geológicas de Chile. Boletín Bo letín n°33. 1978”.
50
Tabla 4-3. 4-3. Mapa Mapa geomo rfo lógic o de la cuenc a de Santiago Santiago Fuente: “Suelo de fundación del gran Santiago. Gloria Valenzuela. Instituto de investigaciones geológicas de Chile. Boletín Bo letín n°33. 1978”.
51
CAPÍTULO 5 DIAGNÓSTICO DEL SUELO DE FUNDACIÓN DE PROYECTOS EMPLAZADOS EN LA ZONA DE ESTUDIO 5.1. 5.1. Características Características d el Análisi s
En este capítulo se desarrolla el análisis de informes de resultados obtenidos en ensayos de mecánica de suelos para un amplio número de obras ejecutadas en la zona nororiente de la Región Metropolitana, analizadas en esta memoria por la presencia de suelos expansivos. Dentro de los informes de mecánica de suelo analizados, se establece el estudio específico de proyectos emplazados en las comunas de: Colina
Huechuraba
Lampa
Lo Barnechea
Quilicura
El estudio de Informes de Mecánica de Suelos, se basa principalmente en el análisis estratigráfico de las zonas mencionadas, determinando la clasificación de suelo en profundidad, además del análisis de los resultados de laboratorio de las
muestras analizadas en en cada cada proyecto, correspondientes a: Clasificación
USCS (granulometría, límites de Atterberg, peso específico y contenido de humedad) y ensayos de hinchamiento.
52
Los ensayos de hinchamiento específicos para cada muestra, corresponden a:
Hinchamiento libre
Presión de hinchamiento
Dentro de los alcances de los informes analizados, se entregan recomendaciones para el diseño de las fundaciones, para proyectos de construcción de viviendas de hasta tres pisos.
53
5.2. 5.2. Análisis Análisis d e resultados d e ensayos en proyecto s ub icados en l a zona de estudio. 5.2. 5.2.1. 1. Clasificació n del grado de expansió n
En la tabla siguiente se presentan los criterios más aceptados para el reconocimiento de los suelos expansivos, basados en altos valores del límite líquido, del índice de plasticidad, % de hinchamiento libre, contenido de partículas coloidales y bajos valores del límite de contracción. Estos criterios se verifican en laboratorio mediante ensayos de las propiedades e índices correspondientes. Tabla Tabla 1.6 1.6 Clasificación Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos. % hinchamiento libre
Límite Líquido
Índice Plástico
Límite de Contracción
% de humedad
Contenido de coloide (<0.001 mm) en %
Grado de Expansión
> 30 20 - 30 10 - 20 < 10
> 63 50 - 63 39 - 50 39
> 35 25 - 41 15 - 28 < 18
< 11 7 - 12 10 - 16 > 15
< 15 15 - 25 25 - 30 > 30
> 28 20 - 31 13 - 23 < 15
Muy Alto Alto Medio Bajo
Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera P rimera jornada de ingeniería de cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.
De este modo se utiliza la tabla anterior como parámetro para efectuar la clasificación del grado de expansión de los suelos ubicados en la zona de estudio. Así, a partir de los resultados presentes en cada informe de los proyectos analizados, se puede categorizar el grado de expansión que presenta el suelo de cada uno de ellos, considerando en primer lugar los parámetros que prevalecen en dicho razonamiento, en el orden siguiente: % de hinchamiento libre, límite líquido, índice de plasticidad, límite de contracción, % de humedad natural de la muestra y contenido de coloide. Esta lógica se explica considerando que el primer parámetro % de hinchamiento libre, corresponde a un método directo de identificación, con la propiedad de ser más preciso y otorgar mayor veracidad en cuanto al grado de expansión de la muestra de suelo. Los parámetros siguientes van de la mano y 54
corresponden al límite líquido e índice de plasticidad, siendo éste último la diferencia numérica entre el límite líquido y el límite plástico de la muestra, definiendo el campo plástico del suelo, categórico en la determinación del potencial expansivo de las arcillas estudiadas, pues se definen principalmente como arcillas de alta plasticidad. El cuarto parámetro, límite de contracción, también corresponde a uno de los límites de Atterberg, y manifiesta cuando una pérdida de humedad no trae consigo un cambio de volumen. El quinto parámetro es el % de humedad natural de la muestra, el cual controla el riesgo de expansión, pues indica el posible cambio de humedad que podría experimentar la muestra. Por último se considera el sexto parámetro correspondiente al contenido de coloides de la muestra, el cual evalúa la magnitud de la expansión de ésta, vinculada con la cantidad o fracción de partículas de tamaño arcilla presentes en el suelo, sin embargo posee la desventaja de no considerar la naturaleza mineralógica.
55
5.2.2. Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos. Tabla 1.7 1.7 Resultado Resultado d el anális análisis is de d e informes info rmes de mecánic a de suelos (1).
Fuente: Elaboración Propia 56
Tabla 1.8 1.8 Resultado Resultado d el anális análisis is de d e informes info rmes de mecánic a de suelos (2).
Fuente: Elaboración Propia 57
5.2. 5.2.3. 3. Clasif Clasificació icació n de muestras de suelo segú n sis tema USC USCS. S.
Figura 5-1. 5-1. Diagrama Diagrama Clasific Clasific ación de muestr as de suelo de los di ferentes info rmes analizados segú n sis tema USCS USCS.. Fuente: Elaboración Propia
58
5.2.4. Selección de dos proyectos representativos para entregar análisis y desarrollo de soluciones construc tivas.
A partir de los resultados del análisis anterior, se seleccionan dos proyectos representativos, (por su potencial de expansión) los cuales serán analizados particularmente
para
entregar
soluciones
constructivas
para
viviendas
habitacionales ubicadas en terrenos con presencia de suelos expansivos. Estos son: Conjunto habitacional Valle Grande, Comuna de Lampa, Región Metropolitana. NOVATERRA. 50 Casas Av. Chamisero, Comuna de Colina, Región Metropolitana. INMOBILIA.
59
CAPÍTULO 6 SISTEMAS DE SOLUCIÓN ANTE SUELOS EXPANSIVOS 6.1. 6.1. Clasificación Clasificación d e sistemas de so lución
Los sistemas de soluciones constructivas se pueden clasificar en dos grupos: actuación sobre la estructura, y principalmente actuación sobre el terreno. 6.1. 6.1.1. 1. Solucio Solucio nes cons tructivas que actúan sob re la estructura
Este tipo de soluciones consiste en reforzar las estructuras para resistir el levantamiento, o construir cimentaciones profundas aisladas debajo de la profundidad de la zona activa. Para la estructura se pueden escoger las siguientes soluciones de fundaciones: Pilotes
Fundaciones superficiales
Losa de fundación
6.1.2. Soluciones constructivas que actúan sobre el terreno
Sustitución
Estabilización
60
6.1. 6.1.2. 2.1. 1. Métodos Métodos de Sustit ució n:
Consiste en reemplazar el suelo expansivo bajo la cimentación, sustituyéndolo por otro tipo de suelos, de mejor calidad y compactado adecuadamente. Los materiales que se pueden usar de relleno, no deben ser expansivos y en lo posible, deben tener una baja permeabilidad para evitar que el agua llegue a los materiales arcillosos y expansivos subyacentes. Con la tecnología actual, la sustitución de suelos puede ser considerada como una de las mejores opciones para eliminar el problema de las arcillas expansivas. La desventaja de esta alternativa radica en la ejecución de la misma, pues para llevarla a cabo se necesita maquinaria pesada para remover el material expansivo, y del mismo modo, para rellenar de material que no lo sea, lo cual podría resultar un tanto costoso.
61
6.1. 6.1.2. 2.2. 2. Método Método s de estabi lización:
Este método consiste en cambiar la naturaleza del suelo expansivo mediante estabilización química. La estabilización química con ayuda de cal y cemento ha tenido éxito en proyectos ejecutados en el extranjero específicamente en España, donde se han establecido incluso normativas para el uso de estos métodos. En la mayor parte de los casos, una mezcla que contenga aproximadamente 5 % de cal es suficiente para otorgar estabilización del terreno, y permitir la cimentación de un proyecto. Dentro de las formas de aplicación de este método de estabilización de suelo expansivo, se presenta la inyección a presión de lechada de cal o de lechada de cal y ceniza volátil, la cual se aplica usualmente hasta una profundidad de 4 metros. Otorgando a esta zona mayor estabilidad y resistencia por efectos de la cementación y por ende mayor cohesión entre sus partículas. En construcción, la utilización de un determinado material o procedimiento constructivo se hace casi siempre por razones económicas. El caso de los tratamientos y estabilización con cal, es un ejemplo de ello, pues puede alcanzarse una solución técnica y económicamente ventajosa. Lo anterior considera el aprovechamiento del material natural, pues no se requiere material de préstamo, se evitan las operaciones de transporte y acopio, además de una mejora de las condiciones de trabajo y productividad, pues disminuyen los costos de obra, alcanzando un mejor rendimiento y cumplimiento de los plazos de ejecución.
62
6.2. 6.2. Alternativas Alternativas de solució n y control p ara suelos expansivos presentes en la zona en estudio .
Los sistemas especiales utilizados para dar solución ante la presencia de suelos expansivos a analizar en esta memoria, conjugan en gran manera las soluciones establecidas en la clasificación anterior y son los siguientes:
Remoción del del suelo expansivo hasta el punto crítico.
Losa rígida apoyada sobre pilotes
Estabilización con cal
6.2.1. REMOCIÓN DEL SUELO EXPANSIVO HASTA EL PUNTO CRÍTICO.
Este sistema consiste en determinar la profundidad a partir de la cual el cambio de volumen no es significativo, al ser mínimo el cambio del contenido de humedad del suelo. Por ende el cambio volumétrico no tendrá incidencia sobre la estructura. La remoción y posterior remplazo del suelo, se puede efectuar hasta el denominado punto crítico. Este punto se determina analizando factores como: influencia del espesor del estrato, presencia del nivel freático y cota de patio proyectada. El punto crítico está ligado a la profundidad del estrato expansivo, en zonas de profundidad limitada o en ocasiones con profundidades mayores, la sustitución puede ser parcial. Se elimina así la capa superior que es la más activa, y las irregularidades que puedan producirse en la superficie del terreno expansivo, se dispersan a través del “colchón” de material estable, generando esfuerzos despreciables sobre las estructuras.
63
Un error común seria pensar que el espesor a sustituir es el correspondiente a la profundidad del estrato expansivo. Ya que la mayor parte del movimiento se produce en las capas superiores. Sólo por esto, la sustitución de la mitad de la capa expansiva reduciría los movimientos expansivos, en términos relativos, a un grado menor que la cuarta parte. Pero, además, la capa sustituida rompe la transmisión capilar, y puede disminuir todavía más las variaciones de humedad y de volumen. Para ello, conviene que sea granular bien graduado, con algo de finos. Por otra parte, la presencia del estrato de suelo más rígido que la arcilla, produce una disminución de la expansión de ésta, por el peso propio del relleno como si se tratara de una placa, lo que disminuye los efectos sobre las estructuras. A través del análisis de un amplio número de casos de proyectos emplazados en la zona de estudio (Finos del Noroeste), llevados a cabo, considerando este tipo de solución y ante su buena respuesta mecánica a lo largo de su historia, se ha establecido una demostración empírica; determinando que dentro de un rango entre 1,0 a 1,3 metros de profundidad la variación de humedad es mínima y prácticamente ya no incide sobre el suelo expansivo. Además, se considera que la influencia del cambio de nivel de la napa subterránea que oscila en promedio, 1,0 m. entre temporadas (invierno – verano), tampoco genera un efecto significativo sobre un estrato arcilloso de características expansivas, producto de la estabilización de la variación de humedad dentro de ese rango, ya que la propia capilaridad genera una condición de saturación del estrato superior. De acuerdo a lo establecido, la profundidad de la zona activa se identifica como la máxima profundidad a la que se observan fluctuaciones estacionales de humedad. La zona activa y su extensión se presentan en el siguiente esquema.
64
Figura 6-1 Profund idad de la zona zona activa y variació n estacio nal de la humedad Fuente: NSR-97. Capitulo h.6. Suelos con características características especiales.
Para la ejecución de este método de solución se establece que ante la remoción y posterior sustitución de una fracción o capa del suelo expansivo, se considere como mínimo una capa adicional a remover de 20 cm bajo la capa activa. De este modo, se plantea como recomendación conservadora de acuerdo a la experiencia y a lo planteado anteriormente, que para el uso de alternativas simples de cimentación, como son el uso de losa o de zapata, si el estrato de suelo de relleno sobre el que se apoyan los cimientos es aproximadamente 1,5 metros de suelo granular bien graduado, de alta compacidad, con algo de finos (20-25%), no existe riesgo de movimiento en la fundación, cuando se apoya la misma sobre este material granular.
65
El uso de este método de solución plantea la siguiente incógnita, ¿Qué pasa con las cargas excesivas generadas por este reemplazo en estratos de gran espesor de suelos de alto potencial expansivo?, si se considera el criterio planteado anteriormente (sustitución de 1,5 m de material expansivo), se establece que el cambio de material arcilloso por un material granular de reemplazo, genera una diferencia mínima de carga (ΔP) en el estrato inferior, la cual no afecta mayormente al asentamiento de éste. A su vez el relleno de material granular actúa sobre la capa de material expansivo, permitiendo el control de éste, ante la presión de hinchamiento que podría experimentar la capa no removida. Un ejemplo ejemplo ante el planteamiento planteamiento anterior, se muestra muestra considerando una capa a remover de acuerdo al criterio de 1,5 m de reemplazo, de un suelo arcilloso de densidad γA=1,80 t/m3, por un relleno granular bien graduado y compactado de γR=2,20 t/m3. Para el cual se obtiene una diferencia Δγ=0,4 t/m3
por lo tanto la diferencia de carga sobre el estrato inferior sería ΔP=0,6 t/m2.
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6.2.1.1. Ejecución de la solución por método de remoción:
El proceso primario corresponde a la excavación, la cual se lleva a cabo mediante equipos de excavación, normalmente retroexcavadora con pala de gran tamaño. Una vez excavado el espesor correspondiente, se dejan taludes del orden de entre 45° a 70°, lo cual en la práctica permite posteriormente el traslape y superposición durante el proceso de compactación, garantizando la calidad del relleno.
Figura 6-2. Excavació Excavació n mediant e maquinaria p esada. Fuente: www.egasso.com
Posterior a la excavación se desarrolla el reemplazo del material mediante relleno compactado, en capas de 30 cm. Dentro de los factores relevantes de este proceso, se cuenta con determinar el tipo de material material de relleno, sus propiedades y granulometría. En forma secuencial se llega llega al proceso de compactación, cuyo objetivo es mejorar la capacidad de soporte del relleno, así como también minimizar los asentamientos producidos en la utilización de rellenos masivos, los cuales se limitan mediante mediante la utilización de equipos vibratorios vibratorios de gran tamaño.
67
6.2.1. 6.2.1.2. 2. Material Material de relleno rel leno
Se consideran 3 tipos de material de relleno.
Gravas Gravas arenosas:
Material típico de característica fluvial, es barato considerando que se obtiene de la rivera del río Mapocho y río Maipo. Los granos de este tipo de grava son de canto redondeado, el tamaño máximo de grano es de 4”. Material de bajo contenido de fino, no debe excede el 20% de fino bajo el Tamiz N°200 ASTM. Su contenido de humedad se puede controlar mediante la limitación del contenido de fino para no exceder la humedad óptima obtenida por el (Proctor Modificado). Esto se debe a que el fino se arrastra y transmite humedad puesto que tiene la facultad de retenerla, lo que puede dificultar alcanzar un alto grado de compacidad, si se excede la humedad óptima.
Material de Cantera:
Este material se obtiene particularmente en el sector de estudio en los cerros de Chamisero Colina. Corresponde a fragmentos rocosos que producto del corte de cerros originan gravas angulosas, de un tamaño máximo de 4”, y contenido de finos del orden de 20%. Este material posee mayor capacidad de soporte producto del elevado ángulo de fricción interna ø, por los cantos angulosos de las partículas que lo conforman.
Pumicita:
Material de origen volcánico volcánico proveniente del sector de Pudahuel y Maipú. Maipú. Fácil de conseguir y transportar. Posee un alto contenido de material fino (aproximadamente 35%). Este posee la desventaja de requerir mano de obra
68
especializada para el procedimiento de ejecución que permita controlar la humedad del relleno debido al alto contenido de finos bajo tamiz N°200 ASTM. Dentro de las ventajas, se cuenta la confiabilidad del control in situ por sobre el material granular, pues en este último se producen errores de medición por presencia de bolones, mientras que la pumicita es un material más homogéneo y sus mediciones son más cercanas o confiables con respecto al patrón de referencia. No obstante la pumicita posee una menor capacidad de soporte y a la vez mayores niveles de asentamiento si se compara con las gravas arenosas y con el material de cantera. 6.2.1.2.1. Propiedades mecánicas de referencia
Para la condición de material de relleno, se pueden adoptar, conservadoramente, las siguientes propiedades mecánicas. Tabla 1.9. Propiedades de Material de Relleno Pumicita
Grava arenos arenosa, a, con co n algo de finos
Material de Cantera
ø= 30°
ø= 40°
ø= 50°
c= 0,5 t/m2
c= 0,5 t/m2
c=0 t/m2
E= 1000 a 1200√z t/m2
E=4000 √z t/m2
E=4500 √z t/m2
ν= 0.35
ν= 0.25
ν= 0.20
Fuente: Elaboración Propia
Granulometría:
En la ejecución de los rellenos, el tamaño máximo corresponde a 1/3 del espesor de capa medida en estado suelto. Así para una capa normal sin compactar de 30 cm, se recomienda un tamaño máximo de partícula de 4”.
69
6.2. 6.2.1. 1.3. 3. Ejecució Ejecució n del relleno r elleno estr uctural uctu ral
El espesor de capa en estado suelto recomendable es de 30 cm. Para controlar el asentamiento a largo plazo, se requiere alcanzar una densidad seca in situ igual o mayor al 95% de la DMCS obtenida por el ensayo Proctor Modificado, ya que esta condición otorga control del exceso de asentamiento diferencial adoptando un modelo geotécnico representativo de la condición real del relleno, pudiendo modelar o predecir los asentamientos frente a las cargas actuantes. El sobre ancho de pasada del equipo compactador es aproximadamente 1 m. De este modo se pueden utilizar las propiedades de la grava para el control de asentamiento Si y capacidad de soporte qadm. 6.2. 6.2.1. 1.4. 4. Equipo d e compact ación para p ara suelos g ranulares
Por carga estática y vibración se genera el reacomodo de partículas, mediante equipos vibratorios de gran tamaño, con un peso estático mínimo de 10 toneladas, y realizando 6 pasadas por cada punto de cada capa a compactar, ya sea por franjas a lo largo del terreno o por sectores dependiendo del presupuesto del proyecto. Se debe realizar mediciones de densidad húmeda, densidad seca y contenido de humedad, mediante el uso de densímetro nuclear. Estas se comparan con la densidad de laboratorio, para alcanzar el nivel de compactación adecuado. Se recomienda, que para encontrar en obra la mejor combinación entre los factores de compactación, se debe llevar a cabo canchas de prueba que permitan encontrar la combinación más adecuada para alcanzar como mínimo el 95% de la DMCS obtenida por el ensayo Proctor Modificado.
70
Equipo de compactación:
Figura 6-3. Equipo de Compactación y ejecución del proceso. Fuente: http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es/tag/c http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es/tag/compactacion/ ompactacion/
Además, como dato adicional, se establece que para el caso de relleno, se desprecia la densificación por sismos de mediana intensidad, esto se debe a que el método de compactación se aplica por equipo vibratorio de gran peso dinámico. Además, en caso de sismos de gran intensidad como el terremoto del 27 de febrero del año 2010, se espera que la densificación se produzca de forma homogénea y no se generen perjuicios en las estructuras por exceder asentamientos diferenciales de fundaciones próximas. 6.2. 6.2.1. 1.5. 5. Cons Cons ideracio nes ant e presencia pr esencia de n apa.
Ante la presencia de napa, se debe considerar lo siguiente:
Control de napa a través de la succión succión del agua mediante mediante pozos.
Uso de Geotextil (G-70) impide el paso de finos hacia el relleno y además además entrega estabilidad del sello de excavación.
Método de zampeado5, cuando no es posible estabilizar el sello de la excavación masiva, para proceder con el relleno de sustitución.
5 Zampeado: Método de estabilización de una superficie de terreno cuando esta se presenta saturada, por presencia o afloramiento de napa. Este método consiste en la colocación de capas de bolones de diversos tamaños, mediante hincado simple y compactación. El propósito de este sistema es lograr estabilizar la superficie ante el requerimiento constructivo, como la ejecución del relleno compactado. 71
6.2. 6.2.1. 1.6. 6. Aplicació Apli cación n práctic a de la sol ució n de remoci ón de terreno y relleno estructural. Conjunt o habitaci onal Valle Valle Grande. Comuna L ampa. NOVATE NOVATERR RRA. A.
Clasificación del terreno como Finos del Noroeste. Constituido por material arcilloso de color café negruzco, de alta plasticidad, de consistencia dura, bajo contenido de humedad, de estructura porosa y presencia de grietas de secamiento. El estudio comienza con el análisis de antecedentes geológicos y de mecánica de suelos disponibles, a partir de la exploración del suelo de fundación, determinando la estratigrafía del subsuelo de los cuales se extrajeron muestras, para las cuales se efectuaron los ensayos pertinentes. Los resultados de las exploraciones de terreno y de los ensayos de laboratorio e in situ, se analizan a continuación. MODELO MODELO ESTRATIGRÁFICO Estrato
H-1 H-2
Profundidad (m) de
Descripción
a
0,00 - 0,20
Capa Vegetal
0,20 – 1,20
Arcilla color café oscuro a negro, plasticidad alta, humedad alta a saturada, estructura porosa, raicillas dispersas, grietas de 2 cm de espesor. Arcilla
H-3
1,20 - 2,40
limosa
de
color
café
claro,
saturada,
consistencia semidura a dura, plasticidad baja a media, estructura porosa.
H-4
2,40 - +3,00
Arena fina limosa a limo arenoso de color café claro, saturado, compacidad alta y estructura homogénea.
Figura Figur a 6-4. 6-4. Modelo Modelo Estratigráfico Estratigr áfico Conjunto Valle Valle Grande Lampa. Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande. Lampa. 72
En las fechas en que se realizaron las exploraciones (marzo y julio), el nivel freático se detecto a profundidades entre 0,65 y 2,30 m. De los resultados de la exploración, de los ensayos de laboratorio y de propiedades medidas en suelos de similares características granulométricas y origen geológico, se determinaron y adoptaron las siguientes propiedades mecánicas del suelo de fundación. Tabla 1.10 1.10.. Prop Prop iedades mecánicas del suelo de fund ación
Arc Ar c illa il la H-2
ø= 20° c =2,0 t/m2 γ=1,8 t/m3 E=400+400z t/m2 ν= 0.40
Relleno Relleno estructural Arena Ar ena L imo im o s a (pumicita) ø= 28° c=0,75 t/m2 γ=1,4 t/m3 E=1500 √z t/m2 ν= 0.30
Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande. Lampa.
La decisión de utilizar esta alternativa de solución que considera la remoción del estrato de arcilla expansiva detectada en el terreno, y posterior reemplazo por un relleno estructural de arena limosa (pumicita) compactada al 95% del Proctor Modificado, depende de las características del terreno, su análisis estratigráfico, tomando en cuenta el espesor del estrato débil, y por último las características del proyecto. Para esta solución de reemplazo del suelo, se proponen 2 alternativas para la fundación de las viviendas. Estas son la alternativa de fundación de zapatas y cimiento continuo en relleno compactado, y la alternativa de fundación de losa en relleno estructural.
73
Figura 6-5. Alternativas para fundaciones en relleno estructural. Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande. Lampa.
74
6.2.1.6.1. Alternativa de fundación de zapatas y cimiento continuo en relleno estructural
En este caso el suelo expansivo corresponde al estrato H-2, y se retira hasta la profundidad indicada en la tabla 1.11 (Basada en el criterio conservador para fundaciones, correspondiente a 1,5 m de espesor de relleno). Se considera un sobre ancho de excavación de 0,60 m medidos desde la cara exterior del muro perimetral de las viviendas. En reemplazo del suelo extraído se coloca un relleno de arena limosa (pumicita) compactada, con control de densidad por cada capa ejecutada. Tabla 1.11 1.11 Recom Recomendaciones endaciones de escarpes mínimo mínimoss bajo vivi endas.
Fuente: Informe de Mecánica de suelos suelo s N° 2184 Conjunto Valle Grande. Gra nde.
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Tipos de fund aciones recomendados
En esta alternativa los tipos de fundaciones que se recomiendan son zapatas aisladas bajo pilares y cimientos corridos bajo muros. Además de sobrecimientos construidos armados mediante enfierradura, según indicaciones de cálculo. Profundidad y ancho mínimo de fundación
La profundidad mínima de fundación para esta alternativa es de 0,55 m medidos desde la superficie de relleno compactado (se recomienda no sobrepasar dicha profundidad), con ancho mínimo de fundación de 0,40 m. Capacidad Capacidad de so porte admisib le
La presión de contacto estática a nivel de sello de fundación no debe ser superior a la presión máxima admisible, y se determina por Hansen, según la siguiente expresión:
Donde: q: presión de contacto estática, en t/m2. qadm: presión de contacto admisible por rotura del suelo, en t/m2. B: Ancho de fundación en metros. (lado menor). L: largo de fundación en metros. D: profundidad de fundación en metros respecto de la superficie del relleno.
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El valor determinado de la expresión anterior es válido para cargas permanentes, y considera que el suelo de apoyo es un relleno arena limosa compactada al 95% del Proctor Modificado. Para efectos de combinación de carga estática más eventual (carga sísmica) el valor de q adm se podrá aumentar en un 50%. Además de verificar que la presión de contacto de la fundación no sea mayor que qadm, se debe verificar también el asentamiento máximo admisible. Ejemplo de cálculo de capacidad de soporte sobre relleno estructural: B = 0,40 m L = 6,00 m D = 0,55 m Resulta q= 15,42 t/m2 6.2. 6.2.1. 1.6.2 6.2.. Alternativa de los a de fundació n sobre so bre relleno estruct ural
En este caso el suelo expansivo de arcilla del estrato H-2, debe retirarse hasta la profundidad que se indica en la tabla 1.11. Se considera un sobre ancho de excavación y suelo de reemplazo con las mismas condiciones señaladas en la alternativa anterior.
Tipo de fund ación recomendada
La fundación para las viviendas proyectadas consiste en una losa de fundación de espesor mínimo 15 cm, con nervaduras de 30 cm mínimo bajo los muros. La armadura debe considerar requerimientos del calculista.
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Profundidad y ancho mínimo de fundación
La losa de fundación puede ser apoyada en forma relativamente superficial sobre el relleno estructural. Sus dimensiones deben ser las requeridas por la planta de la vivienda. Donde se establece un enterramiento mínimo del nervio perimetral de 35 cm, medido por el exterior. e xterior. Capacidad Capacidad de so porte admisib le
La presión de contacto estática a nivel de sello de la losa de fundación no deberá ser superior a la presión máxima admisible, y se determina por Hansen, según la siguiente expresión:
Donde: q: presión de contacto en sello de fundación, en t/m2. qadm: presión de contacto admisible por rotura del suelo, en t/m2. B: Ancho de losa de fundación en metros. (lado menor). L: largo de losa de fundación fun dación en metros. (lado mayor) Para efectos de combinación de carga estática permanente más eventual (sísmica), se podrá aumentar el valor de q adm en un 50%. La presión admisible de contacto determinada de la expresión anterior no es una condición suficiente en el dimensionamiento de las fundaciones, las cuales deben además ser verificadas por asentamientos máximos admisibles.
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Ejemplos Ejemplos de cálculo:
Losa de fundación: B = 5,0 m L = 8,0 m Resultado q=14,43 t/m2 Asent As ent amient ami ento o s de las fund fu nd acio ac iones nes en el relle rel leno no d e sus s us titu ti tuci ci ó n. Tipo de asentamiento
Puesto que el suelo de apoyo correspondiente al relleno estructural es un material de tipo granular o fino, los asentamientos de las fundaciones debido a las cargas permanentes se producen en forma inmediata. Este asentamiento instantáneo elástico debido a cargas permanentes se obtiene de la fórmula basada en la teoría de elasticidad, mostrada a continuación: Alte Al tern rnati ati va de d e fun f und d ació ac ió n d e zapat as y cim c imien iento to co rrid rr id o en rel leno len o estr es truc uc tural tu ral
Alte Al tern rnati ati va de d e fun f und d ació ac ió n d e losa lo sa en rell re lleno eno estr es tr uc tural tu ral
Adicionalmente para este caso de losa de fundación se considera el asentamiento por consolidación, dado por la siguiente expresión:
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Donde: Si : asentamiento elástico o inmediato en cm. Sc : asentamiento por consolidación en cm. q : presión de contacto promedio fundación-suelo, en t/m2. B: ancho de fundación en metros. (lado menor). D: profundidad del sello fundación en metros. Io: factor de forma F3: factor de enterramiento L: largo de fundación H: espesor del estrato analizado eo: índice de vacios Cr: índice de recompresión Po: presión inicial inicial (ton/m2) ΔP: incremento de presión debido a carga de la losa Tabla 1.1 1.12. 2. Factor de d e forma a usar en exp resiones de asentamiento
Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande.
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Tabla 1.13 1.13.. F Factor actor d e enterramiento enterramiento a usar en expr esiones esion es de asentamiento
Fuente: Informe de Mecánica de suelos suelo s N° 2184 Conjunto Valle Grande. Gra nde.
Asent As ent amient ami ento o to tal admis adm is ib le
El asentamiento máximo total admisible de cada fundación siendo continua o aislada individual, se recomienda que no sea superior a 1/400 de la distancia entre ejes paralelos transversales de muros y/o pilares. Este cálculo de asentamiento garantiza una distorsión angular de muros en su plano vertical inferior a 1/600, si se supone que el asentamiento máximo diferencial es igual a 2/3 del máximo total. Para toda fundación aislada o corrida debe verificarse que el asentamiento para cargas permanentes calculado no deberá exceder a 1,0 cm, tomando este valor como parámetro de asentamiento admisible. Mientras que para losa de fundación el asentamiento máximo admisible considera un rango que va desde 1,0 a 2,5 cm.
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Ejemplo Ejemplo de cálculo de asentamientos: asentamientos: Alte Al tern rnati ati va de d e fun f und d ació ac ió n d e zapat as y cim c imien iento to c o rrid rr id o en rel leno len o estr es truc uc tural tu ral
Cimiento corrido B: 0,4 m L: 6,0 m D: 0,55 m Io: 2,1 F3: 0,74 q: 15,0 t/m2 (supuesto) Resulta un asentamiento de Si= 0,58 cm < 1,0 cm Alte Al tern rnati ati va de d e fun f und d ació ac ió n d e losa lo sa en rell re lleno eno estr es tr uc tural tu ral
Asentamiento elástico B: 5,0 m L: 8,0 m Io: 1,09 q: 4,0 t/m2 (supuesto) Resulta un asentamiento de Si= 0,68 cm Asentamiento por consolidación B: 5,0 m L: 8,0 m ht: 1,5 espesor del relleno q: 4,0 t/m2 (supuesto) Resulta un asentamiento de Sc= 1,32 cm Por lo tanto el asentamiento total St = Si + Sc = 2,00 cm < 2,5 cm, entonces cumple con la restricción para asentamiento máximo en el caso de losa de fundación. 82
6.2.1.6.3. Procedimiento de ejecución del zampeado, para excavaciones en presencia de nivel freático:
El sello del del escarpe no se compacta en presencia de napa, pues sólo sólo se producirá un amasado y una destrucción de la estructura del sello, dando lugar a una condición de apoyo todavía más deficiente.
Sobre el sello de escarpe se coloca una primera capa de bolones de tamaño entre 4 y 15” distribuidos de tal modo de cubrir la superficie a estabilizar. Para ello se colocan primero los bolones de mayor tamaño y luego entre ellos, los de menor tamaño.
Los bolones se hincan en el suelo mediante mediante presión aplicada por la pala de una excavadora.
En los sectores donde los bolones se hincan, hincan, quedando totalmente insertos en el suelo, se coloca una nueva capa de bolones.
Luego se agrega arena, con el el objetivo de rellenar rellenar los espacios que quedan entre los bolones. La arena se coloca hasta tener una cobertura sobre la superficie de los bolones de 10 cm de espesor aproximadamente.
Se coloca un geotextil geotextil Feltrex G-60 o similar similar sobre la superficie con traslapos de 40 cm, para impedir el paso de finos hacia el relleno y además entregar estabilidad ante la colocación de la primera capa del relleno.
Se coloca una primera capa de 20 cm de espesor de grava arenosa de tamaño máximo 6” y contenido de fino tamiz 0,08 mm. no superior a 20%, y se procede a realizar una compactación mediante 7 pasadas de rodillo vibratorio de peso estático entre 1 y 2 ton, puesto que es necesario estabilizar las capas de bolones antes de seguir con el relleno superior.
Finalmente se procede a la colocación del relleno compactado compactado hasta alcanzar el nivel contemplado en el diseño.
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6.2.2. LOSA RÍGIDA RÍGIDA APOYADA A POYADA SOBRE SOB RE PILOTES
Este método se utiliza en el área de edificación ya sea en altura como en extensión, puesto que resulta económico sin necesidad del retiro o mejoramiento del suelo. Consiste en disponer pilotes en el suelo y sobre estos, se lleva a cabo una losa de piso autosoportante.
Figura 6-6. Esquema de fundación s obre ob re pilotes. Fuente: Elaboración propia
Debido a la capacidad impermeable de las arcillas, el cambio de humedad se produce cercano a la superficie, alrededor de 1,3 m de profundidad. Por esto el espesor del estrato potencialmente expansivo es menor. De este modo un pilote con una longitud media, se considera como una solución segura. Las dimensiones de pilotes construidos según este sistema de solución, varían de acuerdo al proyecto y características de la estratigrafía del terreno. Sin embargo, se considera que la longitud de los pilotes varía en un rango que va desde los 1,5 a 3,0 m. m. Así también el diámetro de estos elementos elementos dependerá de las características de la planta de la vivienda, análisis de las cargas solicitantes, material del pilote, y tipo de ejecución del mismo.
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6.2. 6.2.2. 2.1 1 Acción Acció n del suelo expans ivo sobr s obre e pilotes. pilot es.
Planteamiento ¿El suelo es capaz de levantar el pilote?
Figura 6-7. Pilote bajo acció n del terreno Fuente: Elaboración Propia
La construcción cimentada sobre pilotes, debe transmitir las cargas a puntos situados por debajo de la zona activa. Es una solución justificada donde se esperan movimientos importantes en casos de edificaciones edificaciones livianas. El problema específico que plantean las arcillas expansivas es que actúan sobre la parte superior de los pilotes, intentando levantarlos. Los pilotes tienen que estar suficientemente anclados en la zona estable para no ser arrancados y, por otra parte, deben tener armaduras suficientes para resistir la tracción. Además, la arcilla puede producir sobre ellos empujes laterales. El procedimiento busca llegar con una longitud adecuada del pilote bajo el estrato potencialmente expansivo. Además, se pretende evitar la acción del suelo sobre el pilote que produce levantamiento. Para ello, se considera una longitud mínima adicional del pilote de 50 cm, bajo el estrato potencialmente expansivo o capa activa.
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El cálculo de la fuerza posible de tracción ha sido tratado por muchos autores. Algunos establecen que la tracción puede tomarse igual al área del fuste incluido en la capa activa, por la mitad de la resistencia al corte de la arcilla inalterada. Mientras otros hacen, por su parte, la misma recomendación, pero indicando que debe tomarse el valor de la arcilla en estado seco, antes de hinchar, pues la movilización total de la resistencia al esfuerzo cortante se produce al principio, con hinchamientos todavía muy pequeños. Para el caso de solicitaciones laterales, aun cuando es reconocido por algunos autores que el hinchamiento produce también empujes laterales sobre los pilotes, ninguno los cuantifica.
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6.2. 6.2.2. 2.2. 2. Características Características del s istema d e pilo tes
Existen diferentes tipos, materiales y procedimientos para realizar este sistema de fundación, los cuales se señalan se ñalan a continuación: Dentro de los tipos de pilotes a utilizar, se cuenta con las siguientes alternativas: A) Pilote hincado (prefabricado). B) Hincado de camisa metálica, con hormigón armado al interior. C) Excavación de fundación con hormigonado in situ.
Figura 6-8. 6-8. Alternativas de tipo d e pilote Fuente: Elaboración propia
En cuanto a los materiales, los los más utilizados actualmente, son el acero y el hormigón armado. Su uso depende del cálculo estructural y también del estudio geotécnico.
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Dentro de los procedimientos para realizar la excavación de un sistema de pilotaje, se puede mencionar los siguientes:
Excavación mediante el uso de maquinaria
Excavación manual
El uso de grandes maquinarias de excavación permite remover volúmenes de suelo en menor tiempo. Sin embargo, en algunos lugares, el acceso a estos equipos es muy costoso y difícil de conseguir. La manera más frecuente de realizar excavaciones para pilotes, es la excavación manual utilizando herramientas de excavación, tomando en cuenta que mientras el encargado vaya ingresando a la profundidad del terreno, se debe entibar las caras de la excavación para evitar deslizamientos.
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6.2. 6.2.2. 2.3. 3. Cálcul Cálcul o de capacid ad de carga:
La capacidad de carga de un pilote puede ser calculada de dos maneras, la primera por punta en compresión, que se llama resistencia a punta y la segunda, por esfuerzo cortante a lo largo de una superficie lateral, llamado comúnmente fricción lateral o “fuste”. Los pilotes hincados en estratos débiles hasta alcanzar un estrato de mayor resistencia, transfieren la mayor parte de carga por la punta. En cambio, en suelos homogéneos, los pilotes transfieren la mayor parte de su carga por fricción lateral y se los llama pilotes flotantes. Sin embargo, la mayoría de los pilotes desarrollan ambas resistencias.
Figura 6-9. 6-9. Resistenci Resistenci a de Pilotes por p unta y po r fuste fus te Fuente. Elaboración Propia
Se plantea el equilibrio estático de las fuerzas sobre un pilote, para lo cual se tiene, Qu que es la carga última última en la cabeza cabeza del pilote, W que es el peso propio del pilote y γmDAb que representa la carga de suelo previamente soportada a nivel de base, que es remplazado por el peso del pilote. pilote. En otro lado se hace equilibrio equilibrio con las resistencias; resistencias; Qs que es la suma de la fricción lateral, más Qb la resistencia última en la base. 89
Figura 6-10. 6-10. C Capacidad apacidad de carg a por t ransferencia al s uelo Fuente: Elaboración Propia
Donde, Qs y Qb se pueden describir como resistencias unitarias de la base y fuste por el área respectiva, obteniéndose la siguiente expresión.
Donde; f su su es la resistencia unitaria ultima por fricción lateral, qbu es la resistencia unitaria ultima en la base, As es el área lateral del pilote sobre la cual se ejerce fricción positiva y A p es el área de la punta del pilote. En general, se considera que W y γ mDAb son aproximadamente iguales, lo que permite simplificar la expresión:
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6.2.2. 6.2.2.4. 4. Resist encia enci a Unitaria Unit aria Últi Últi ma de Punt Punta a q bu
Los pilotes de punta transmiten cargas a través de agua o suelos blandos hasta estratos con suficiente capacidad capacidad portante, por medio del soporte en la punta del pilote. El valor de dicha resistencia se puede determinar mediante diferentes métodos expuestos por diferentes autores, entre los más conocidos se puede nombrar: El Método de Meyerhof, Método de Vesic y Método de Janbu. Por Meyerhof – Vesic, qbu se puede obtener de la siguiente manera manera qbu = c Nc + q´ Nq Donde: qbu : Resistencia unitaria última de punta c : cohesión del suelo que soporta la punta zo vertical efectivo en la punta (γ*z ) q´: esfuer zo
Nc : factores de capacidad de carga que depende de la cohesión del suelo (c). Nq : factores de capacidad de carga que depende del ángulo de fricción interna del suelo (ø)
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6.2. 6.2.2. 2.5. 5. Resis Resis tencia unitaria últi ma de fuste fus te f su
La resistencia por fricción superficial Qs se obtiene como el producto entre la resistencia unitaria última última de fuste f su su, y el área del pilote A s. Cálculo Cálculo de la tensión de fus te f su su
Tensión Tensión de fuste en suelos g ranulares ranulares
A partir de:
La tensión de fricción establecida genéricamente se representa de la siguiente manera: f su su = ko σ o´ tg ( δ) Donde: ko: Corresponde al coeficiente de empuje del suelo, que relaciona las tensiones horizontal y vertical, el cual varía de acuerdo al tipo de suelo y metodología constructiva del pilote. σo´: Esfuerzo vertical efectivo. δ : Ángulo de fricción suelo-pilote, equivalente a 2/3 del valor del ángulo de fricción
interna del suelo. 92
Para pilotes hincados se tiene una compresión horizontal del suelo que rodea al pilote, mientras que para un pilote excavado los suelos circundantes al pilote se relajan disminuyendo su tensión horizontal.
Figura 6-11. Esquema relació n k 0 en excavación Fuente: Elaboración Propia
Donde: σho: Tensión horizontal del suelo previo a la excavación. σvo: Tensión vertical del suelo previo a la excavación. σh: Tensión horizontal horizontal del suelo posterior a la excavación.
ko : Coeficiente empuje de suelo, relación de tensiones horizontal y vertical, previo a la excavación. k:
Coeficiente empuje empuje de suelo, relación de tensiones horizontal y vertical, vertical,
posterior a la excavación. Para el caso del estudio de esta memoria se considera la segunda metodología de pilote excavado, por esta razón el suelo sufre una relajación de tensiones horizontales cuando es alcanzado por la excavación por lo tanto el valor de ko disminuye en comparación al mismo suelo antes de que lo afecte la excavación.
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Tensión Tensión de fuste en suelos cohesivos
Para el análisis de la tensión de fuste en suelos cohesivos, se establecen los métodos λ, α y β, siendo este último el más utilizado y descrito a continuación: Método β
A partir de la tensión general se tiene f su su = β σ o´ β = ko tg (ør)
, con ør = ø/2
Donde: σo´: Esfuerzo vertical efectivo
ør: Ángulo de fricción de arcilla remoldeada. remoldeada. ko: Coeficiente empuje empuje de suelo. 6.2.2.6. Capacidad de carga admisible
Qadm = Qu / F.S Se establece que el coeficiente de seguridad para el caso del análisis de esta memoria corresponde al caso de pilotes excavados en que se determina un F.S ≈ 3, considerando peso propio y sobrecarga.
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6.2. 6.2.2. 2.7. 7. Análisis del asentamiento de pil otes:
El asentamiento total de un pilote (S) puede ser estimado a partir de tres factores S = S1+S2+S3 S1: Asentamiento debido a la deformación del pilote S2: Asentamiento debido a la tensión de punta del pilote q bu S3: Asentamiento debido a la tensión de fuste del pilote f su su Asentamiento debido a la deformación del pilote S1:
Asentamiento debido a la tensión de punta del pilote S2:
Es: Modulo elástico del suelo en la punta D: Diámetro del pilote qp: Tensión de punta del pilote αr: Factor de influencia relación para L=B,
para fundación circular. αr = 0,85 v: Relación de poisson
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Figura 6-12. 6-12. Gráfico Gráfico factor de influ encia Fuente: Leoni Augusto. Transferencia de cargas al terreno 2da Parte, Geotecnia I. Facultad de ingeniería U.N.L.P.
Asentamiento debido a la tensión de fuste del pilote S3:
QF: Carga que toma el fuste en condiciones de servicio L : Longitud del pilote p: Perímetro del pilote D: Diámetro del pilote Iwf : Coeficiente de influencia Es: Modulo elástico del suelo en la punta v: Relación de poisson
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6.2. 6.2.2. 2.8. 8. Eliminaci ón de la acció n del fus te sobre el pil ote:
Dentro de la ejecución de este sistema de solución, se busca eliminar la fricción con el terreno en la zona activa, por ende la acción del fuste, con la finalidad de minimizar la probabilidad de que el terreno ejerza una presión sobre el elemento pilote, y este se levante hasta el punto de ser arrancado. Para el caso ideal o más favorable, se considera que la acción del fuste es nula producto de la eliminación del roce. De este modo la ecuación simplificada es la siguiente manera:
Una medida a ejecutar que resulta viable y permite generar el efecto de eliminación del fuste, es la construcción de pilotes con la salvedad de separarlos del suelo mediante diferentes técnicas que permiten aislarlo o minimizar el contacto del roce con el terreno, para evitar la fricción y posterior levantamiento. Dentro de estas técnicas se puede mencionar el uso de pilotes de acero liso o pilotes de hormigón envueltos en una vaina de pvc o aislante geosintético. Ambos métodos se diseñan conservadoramente por resistencia de punta.
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6.2. 6.2.2. 2.9. 9. Apli cación Práctica de la soluc ión de d e Losa rígida apoyada sob re Pilotes Casas Casas Av. Chamisero, Comuna d e Colina, Regió Regió n Metropo litana. Inmob Inmob ilia. Características:
Clasificación del terreno como depósitos de conos de deyección. Predominio de suelos finos arcillosos con algo de arena, estos depósitos están constituidos por materiales arrastrados por flujos ocasionales de agua de las quebradas cordilleranas y depósitos por acción gravitacional. Arcilla de color café negruzco, de alta plasticidad consistencia dura, bajo contenido de humedad de estructura porosa, y presencia de grietas de secamiento. El estudio comienza con el análisis de antecedentes geológicos y de mecánica de suelos disponibles, a partir de la exploración del suelo de fundación, determinando la estratigrafía del subsuelo de los cuales se extrajeron muestras para las cuales se efectuaron los ensayos pertinentes. Los resultados de las exploraciones de terreno y ensayos de laboratorio e in situ, permiten establecer el tipo de solución adecuado para este tipo de proyecto, basado en el uso de pilotes, el cual se analiza a continuación.
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MODELO ESTRATIGRÁFICO Horizonte
Profundidad (m)
H-1
0,00-0,60
Capa de suelo vegetal con relleno de arcilla con gravas
0,60-1,60
Arcilla de color café negruzco, humedad baja, consistencia muy dura, plasticidad alta, estructura porosa-migajón, algunas raíces y raicillas, grietas de tamaño máximo 15 mm
H-2
H-3
1,60-2,60
Descripción
Arcilla algo arenosa de color café claro, humedad baja, consistencia muy dura, plasticidad baja, estructura porosa-migajón, con gravas dispersas de cantos angulosos, subangulosos y de tamaño máximo 4", algunas raíces y raicillas
H-4
H-5
2,60-5,00
5,00-9,00
Arcilla limo gravosa, color café claro, humedad media, estructura migajón homogénea, consistencia muy dura Grava arcilla limo arenosa, color café claro, humedad media, estructura homogénea, compacidad alta, presenta gravas de cantos angulares y subangulares de tamaño máximo 2 1/2".
H-6
9,00-15,00
Arcilla limo gravosa, color café claro, humedad media, estructura migajón homogénea, consistencia muy dura.
Figura 6-13. 6-13. Modelo Estratig ráfico Casas Casas secto r Chamisero Coli na. Fuente: Informe mecánica de suelos N°4297 Casas sector Chamisero Colina Región Metropolitana
De los resultados de la exploración, de los ensayos de laboratorio y de propiedades medidas en suelos de similares características granulométricas y origen geológico, se determinaron y adoptaron las siguientes propiedades mecánicas del suelo de fundación Arci Ar ci lla ll a algo alg o arenosa ø= 20° c =1,5 t/m2 γ=1,8 t/m3 E=400+400z t/m2 ν= 0.40
Figura 6-14. Propiedades Mecánicas. Fuente: informe mecánica de suelos N°4297, Casas Ca sas Chamisero. 99
6.2.2.9.1. Planimetría del proyecto
Figura 6-15. 6-15. Planta Planta de fundaci ón, ubi cación d e pilot es en planta.
Fuente: Casas sector Chamisero Colina Región Metropolitana
100
Figura 6-16. 6-16. Secci Secci ón pil ote y viga de fund ación
Fuente: Casas sector Chamisero Colina Región Metropolitana 101
6.2.3. ESTABIL ESTABILIZACIÓN IZACIÓN CON CON CAL
El tratamiento y estabilización con cal de estos suelos es una solución muy interesante desde los puntos de vista económico, ambiental y técnico. En general, puede afirmarse que siempre que el Índice de Plasticidad (IP) de un suelo sea elevado IP > 30, es aconsejable y satisfactoria su estabilización con cal. El tratamiento con cal de terrenos arcillosos de características expansivas, permite su utilización, evitando los mayores costos y efectos ambientales que supondría su retiro y posterior reemplazo por otros suelos de mejores características geotécnicas y mecánicas. En cuanto a la estabilización con cal, ésta tiene un efecto muy notable, particularmente en las arcillas sódicas, pero también en las cálcicas. No suele aplicarse por mezcla, lo cual sería difícil y costoso, siendo necesario realizar una compactación posterior de resultado, seguramente, mediano. Se efectúa por difusión o inyección y la eficacia parece comprobada. En el caso de cimentaciones la mezcla tan sólo podría conseguirse excavando un espesor que fuera una fracción importante de la capa activa, pulverizando el material. Este procedimiento implicaría cimentar sobre el relleno de un material muy dudoso, a pesar de la estabilización. Por ello, la estabilización suele llevarse a cabo por difusión o bien por filtración de agua con cal. La difusión del líquido en la arcilla es, en general, muy lenta y, como consecuencia, se ha encontrado en muchos casos que la masa del suelo estaba sin estabilizar, a pesar de lo cual, el efecto práctico era apreciable. Esto parece deberse a que el agua sí penetra por todas las fisuras del suelo y estabiliza las superficies de los terrones que lo constituyen. Los terrones quedan así algo protegidos de los cambios de humedad por las cortezas estabilizadas.
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Se han ensayado y se siguen ensayando muchas técnicas para perfeccionar este método, por ejemplo, abriendo una cuadrícula de zanjas que se rellenan de lechada, o bien inyectándola a través de taladros, incluso con inyección a gran presión. Además, se han ensayado aditivos diversos que facilitan la penetración. Entre ellos los más frecuentemente usados son los agentes tenso activos, que aumentan la penetración por las fisuras al disminuir la tensión superficial.
Figura 6-17. 6-17. P Proc roc eso de Inyecció n de Cal sob re el terreno Fuente: www.keller.com.mx
6.2.3.1. Definición
La cal es un producto compuesto de óxidos e hidróxidos de calcio y magnesio, que proviene de la calcinación de minerales calizos y dolomíticos. También suele contener óxidos de silicio, hierro y aluminio en función del material básico de procedencia. CaO - Ca(OH)2 - MgO - Mg(OH)2 - SiO2 - AlO2 - Fe2O3 103
En el proceso de calcinación, los minerales compuestos por carbonatos cálcicos y magnésicos, en proporciones variables según la calidad y tipología del mineral base dan lugar, ante la aplicación de calor, a la formación de óxidos de cal y/o magnesio, que es el producto buscado, con desprendimiento de dióxido de carbono. 6.2.3.2. Funciones de la cal
La principal utilidad de las cales se centra en que mezcladas con agua forman una pasta que mejora las características de manejo de los materiales a los que se aplica y, a mayor plazo, aumenta su consistencia y resistencia. El primer fenómeno contribuye a la trabajabilidad de los materiales, morteros y suelos fundamentalmente, mediante la modificación de sus propiedades de plasticidad, capacidad de retención de agua y penetración. En cuanto al segundo fenómeno, se basa en procesos químicos más o menos complejos y diferenciados según el material a que se aplique y el tipo de cal que se emplee. El mecanismo básico consiste en la carbonatación de los hidratos de carbono en contacto con el dióxido de carbono atmosférico, que le lleva a aumentar la resistencia y durabilidad de los materiales. 6.2.3. 6.2.3.3. 3. Tipos de cal c al
Una primera clasificación de los tipos de cal ya se ha citado anteriormente y se basa en la composición del mineral básico que es sometido a calcinación. Así, según la proporción de carbonatos magnésicos en relación con el total de carbonatos, se puede clasificar en:
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Cales de alto contenido contenido en calcio: Procedentes Procedentes de material base de CaCO3, con no más del 5 % de MgCO 3. Se componen fundamentalmente de óxidos de calcio.
Cales dolomíticas: dolomíticas: Procedentes de material material base con contenidos de más más del 5 % de MgCO 3. Se componen de óxidos de calcio y magnesio. Otra posible clasificación es la que se deduce de los procesos de obtención
y materiales de origen. En este sentido se ntido se pueden dividir en:
Cales hidráulicas: Obtenidas Obtenidas a partir de calizas calizas que contienen arcillas arcillas (sílice (sílice y alúmina), por su calcinación y posterior hidratación. Además de hidróxido cálcico incorporan silicatos y aluminatos cálcicos. Tienen propiedades hidráulicas, es decir, endurecen con el agua. El dióxido de carbono atmosférico contribuye a este proceso de endurecimiento adicional.
Cales aéreas: Compuestas de óxido e hidróxido de calcio y magnesio, magnesio, que endurecen en contacto con el CO2 del aire. No tienen propiedades hidráulicas, es decir, no endurecen con ella. Se obtienen de rocas calizas con más del 95% de carbonatos. La cal como principio activo es posible obtenerla o presentarla como:
Cal viva, viva, u óxido de calcio/magnesio procedente procedente directamente directamente del proceso de calcinación. Se presenta en forma de grano o molidas en polvo, incluso micronizadas, ya que esta forma supone que no se ha hidratado el producto de la calcinación.
Cal apagada, procedente de la hidratación de la cal viva, viva, compuesta compuesta por hidróxidos de calcio/magnesio. Como tal es posible presentarla en forma de
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pasta, lechada o suspensión de cal en agua, o incluso en forma de polvo seco. La principal diferencia entre ambas formas de presentación es el riesgo en la aplicación. El manejo de cal viva debe asumir que su contacto con el agua, aunque sea estrictamente con la humedad propia del medio en que se va a aplicar o incluso con la atmosférica, va a generar la reacción de hidratación de los óxidos, que se ha descrito como fuertemente exotérmica. Esto lleva asociado el consiguiente riesgo que este fenómeno tiene en la seguridad del personal que realiza la aplicación, fenómeno conocido en el proceso del “apagado de la cal”. 6.2.3. 6.2.3.4. 4. Pro Propied pied ades de la cal
La cal tiene una serie de características relevantes desde el punto de vista de su uso y comportamiento como conglomerante adicionado a otros materiales: a) Densidad aparente: Alcanza valores, según la forma de presentación, que oscilan entre:
Cal viva:
0,7 – 1,2 ton/m3
Cal apagada:
0,3 – 1,0 ton/m3
Frente al peso específico del óxido de calcio puro que toma valores superiores a 3 ton/m3, asumiendo una porosidad nula. b) Finura de grano, cuando se emplea en forma de polvo c) Solubilidad en agua, aunque es pequeña, una característica importante es que disminuye al aumentar la temperatura. d) Aportan al medio en que se aplican un carácter básico, elevando su pH. 106
e) La cal es un producto reactivo con el CO2, se carbonata ante la presencia de dióxido de carbono, como ocurre en la atmósfera, ya se encuentre en forma de cal viva o de hidróxido cálcico. Ello se debe a que la reacción de su constitución es reversible. d) Finalmente, otra propiedad a destacar de la cal es su posibilidad de reacción con numerosos productos, como la reacción con la sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3).
6.2.3.5. Normativa sobre la cal
Para una definición, clasificación y especificaciones para el uso de la cal en la construcción, puede considerarse la normativa internacional experimental UNEENV 459 “Cales para construcción”, versión oficial en español de la norma europea correspondiente. La cual consta de dos partes:
Parte 1: “Definiciones, especificaciones y criterios de conformidad” (1996)
Parte 2: “Métodos de ensayo” (1995)
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6.2.3.6. Modificación de suelos arcillosos con cal
La adición de cal a un suelo con una fracción de partículas finas relevante modifica su comportamiento de acuerdo a las propiedades que se han descrito. Estas modificaciones se resumen fundamentalmente en dos comportamientos típicos, modificación de la textura del suelo e incremento de su resistencia. Estos hechos se producen en mayor o menor medida según el tipo de suelos, su granulometría y mineralogía, y el de la cal empleada, en función de su riqueza y actividad. Su justificación está en la alteración del estado natural de ambos materiales por las reacciones químicas que se producen en la interacción de sus estructuras. Mecanismos de int eracción eracción de la cal sobre un suelo
En la mezcla de la cal con un suelo arcilloso se producen dos tipos de reacción: a) Modificación “inmediata” de las condiciones de granulometría, textura y compacidad originada por:
Intercambio de iones entre entre la arcilla y la cal
Floculación de las partículas de arcilla
Reducción de la cantidad de agua adsorbida por la arcilla, lo que trae como consecuencia una considerable reducción del potencial expansivo.
b) Mejora de las características resistentes del suelo a medio y largo plazo, producida por:
Reacción puzolánica de cementación
Carbonatación
Por los tipos de efectos, es posible definir una serie de diferencias entre los grupos citados que justifican la clasificación expuesta. 108
Una primera diferencia ya citada entre ambos grupos de mecanismos es su carácter temporal, ya que las modificaciones de textura son casi inmediatas, mientras que las resistentes suelen llevar un plazo mayor. La segunda diferencia consiste en su generalización, mientras que el primer grupo de modificaciones es aplicable a casi todos los tipos de suelos arcillosos, las mejoras de resistencia se producen en mayor o menor medida en función de la mineralogía y tipos de suelos, siendo posible incluso que no se produzcan en algunos. Finalmente, la tercera gran diferencia es la proporción de cal precisa para alcanzar los efectos. En la mayoría de los casos la frontera o límite a partir de la cual se inicia el segundo grupo de mecanismos es la cantidad de cal. Puede decirse que las primeras dosis de cal van destinadas a la modificación de la textura y granulometría, y que para mejorar las características resistentes es preciso superar esta primera proporción. En caso contrario, no existirá adición activa o cal que facilite dichas reacciones. A continuación se detalla cada uno de los efectos citados, sus fundamentos, consecuencias y limitaciones. El intercambio intercambio ióni co
Cuando la cal toma contacto con las arcillas los cationes de calcio tienden a reemplazar a aquéllos otros que están adsorbidos en la superficie de sus partículas, dispersos en lo que se ha llamado la capa doble. Desplazando así a cationes monovalentes usuales en las arcillas naturales, como los de sodio, potasio o magnesio.
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Floculación y aglomeración aglomeración de partículas partículas
Según el fenómeno del intercambio iónico por cationes de mayor valencia reduce el espesor de la capa doble de la arcilla. Ello genera que se reduzca pues la zona de alta presencia de cationes que separa una partícula de otra, tanto por concentración como por repulsión eléctrica. El hecho de que se pongan en contacto nuevas partículas de arcilla y se generen fuerzas de atracción entre ellas origina unas nuevas agrupaciones de partículas que antes estaban dispersas o separadas formando flóculos o conjuntos de partículas. Modifi cación de la textura y consis tencia
El fenómeno de la floculación incide sobre las estructuras de los suelos arcillosos. Se basa esta consecuencia en que la aglomeración de las partículas se produce desordenando la estructura laminar estable que hasta ese momento presentaba la arcilla. Si esta estructura se transforma en una distribución más alterada con contactos oblicuos entre bordes y caras, se origina un desorden entre las partículas que, conlleva a un aumento de los huecos en la masa suelo-cal con respecto al volumen inicial del suelo, además genera un desorden de las partículas que le lleva a un comportamiento menos cohesivo basado en el rozamiento de las partículas del suelo. Con relación a este último aspecto hay que citar que el desorden y cambio de comportamiento conlleva una mayor consistencia entendida ésta como un aumento en la capacidad de soporte del suelo.
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La reacción p uzolánica
Como se ha descrito, las arcillas son minerales que contienen en su estructura importantes cantidades de sílice y alúmina y otros elementos de sustitución como el hierro, magnesio, etc. En estas circunstancias, es posible decir que las arcillas son productos naturales con propiedades puzolánicas. Estas propiedades se basan en que bajo condiciones de pH altos pueden provocar un efecto consistente en la reacción de la cal con la sílice y alúmina para producir productos cementantes. En el caso de la mezcla de arcilla y cal, la sílice y alúmina procedentes de las partículas de arcilla al entrar en contacto con la cal, que proporciona el medio básico, lleva a formar silicatos y aluminatos de calcio hidratados. Estos productos son parecidos a los que se generan durante el fraguado del cemento Portland. Carbo Carbo natación d e la cal
El proceso de la carbonatación de la cal disponible es un proceso lento y que no suele completarse ni incluso a altas temperaturas. No obstante, el agua actúa como un catalizador que propicia esta conversión junto con la mayor superficie específica de la cal disponible. La carbonatación puede inducir a error si se considera como un fenómeno de mejora dado que en ella no interviene el suelo sino que, al contrario, resta potencialidad al proceso al eliminar parte de la cal disponible.
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6.2. 6.2.3. 3.7. 7. Efectos Efectos de la aplic ación de la cal c al
Como consecuencia de la combinación de los mecanismos descritos anteriormente, la aplicación de cal a un suelo arcilloso origina una modificación en las propiedades físicas características de su comportamiento inicial. Tales como: Reducci Reducci ón d e la humedad humedad natural del suelo
Un primer efecto de la aplicación de la cal es su secado o la reducción de la humedad. Es evidente que este efecto sólo se produce cuando la cal se aplica en forma de cal viva en polvo. Este proceso se basa en que para la hidratación de los óxidos de calcio y su conversión en hidróxidos cálcicos, se toma el agua presente en la masa del suelo. Además, y dado que la reacción que se produce es exotérmica, el propio calor producido en la hidratación facilita la evaporación del exceso de humedad. Así de manera aproximada es posible evaluar la reducción de humedad de un suelo en un 2 o un 3 % por la adición de un 1 % de cal. El principal inconveniente de este mecanismo es que se desprende una importante cantidad de calor que puede afectar al personal que trabaja en la obra si no se disponen las convenientes medidas de seguridad.
Modifi cación d e la granulometría
Un segundo efecto importante que se produce en la aplicación de la cal a suelos arcillosos es la modificación de su granulometría. Este hecho se justifica en los mecanismos de floculación y aglomeración mencionados anteriormente, de las partículas que se originan por el intercambio iónico en la superficie de las mismas.
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Aumen Au mento to d e la p ermeab erm eabililid id ad
El efecto anterior de modificación de la granulometría puede ser apreciado de forma indirecta en otros cambios de propiedades físicas asociadas a la distribución granulométrica de un suelo. Es el caso de la permeabilidad. La modificación de la distribución de tamaños de las partículas y la reducción de las fuerzas de atracción eléctricas y osmóticas entre ellas hace que se generen una serie de huecos mayores entre ellas y que se reduzca su higroscopicidad. Ello hace que la aplicación de la cal origine un aumento inmediato de la permeabilidad de un suelo. Si bien la permeabilidad aumenta en los primeros momentos de aplicación de la cal, fenómenos posteriores que induzcan a una disolución, sustitución o lavado de los iones de calcio que han originado esta nueva estructura más permeable, pueden llevar a una posterior caída de la permeabilidad a medio o largo plazo. En ocasiones incluso puede llegar a reducirse la permeabilidad inicial del suelo. Si se considera que las ventajas del aumento de la permeabilidad suelen perseguir mejoras a largo plazo, esta circunstancia limita el efecto inicial conseguido y su aplicación. Algunos autores han apuntado, también, que la posible producción de la reacción puzolánica y la generación de productos cementantes entre las partículas de las arcillas suelen evitar esta pérdida a medio plazo de la permeabilidad, al fijar los cationes responsables de la misma y frenar su posible sustitución. Otros, sin embargo, atribuyen a estas reacciones la pérdida posterior del incremento de permeabilidad adquirido.
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Reducci Reducci ón d el índice de plasticidad
Uno de los principales efectos de la aplicación de la cal en los suelos arcillosos es la reducción de la plasticidad, característica representativa de este tipo de suelos. Esta reducción, justificada por los mismos mecanismos descritos en los puntos anteriores, se manifiesta y cuantifica mediante una reducción de los límites de Atterberg, determinación usual en el mundo de la construcción. Más concretamente la aplicación de la cal provoca de manera generalizada un aumento del límite plástico sin afectar al límite líquido. Otra característica de este efecto es que es progresivo, es decir, se incrementa con la cantidad de cal aplicada. A más cal, mayor reducción de la plasticidad. Sin embargo, se tiene un límite a partir del cual el aumento de cal no produce reducciones sustanciales ni mucho menos proporcionales de la plasticidad del suelo. Este límite es, en ocasiones, la eliminación casi total de la plasticidad del suelo, que suele conseguirse en ocasiones. Lo que se traducirá en alcanzar un potencial de expansión nulo. Reducci Reducci ón del potencial de cambios volumétricos
Otro efecto de la aplicación de la cal es la disminución de la susceptibilidad de las mismas al agua, entendida principalmente ésta como la propensión a los cambios de volumen ante modificaciones del nivel de humedad del suelo. El conjunto de reacciones entre la cal y las partículas de arcilla sirven no sólo para reducir el nivel de humedad en las mismas, sino incluso para fijar en este nivel de humedad de una manera más estable y evitar su reducción o aumento ante aportes externos. Con ello se reduce el riesgo que esta reducción o incremento puede tener en el volumen del suelo, y que en caso contrario se traducirían en expansiones o retracciones del mismo.
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Este efecto conlleva que el tratamiento con cal de un suelo potencialmente expansivo sirve para conseguir importantes reducciones del riesgo de hinchamiento y retracción del mismo. Estas reducciones son casi inmediatas y sus efectos son drásticos. Se elimina casi en su totalidad el riesgo en la masa de suelo tratada con poca cantidad de cal. Tan sólo hay que tener en cuenta, como ya se ha citado, que se trata de una modificación que requiere una alteración a nivel de partículas, por lo que es muy importante asegurar el mezclado y que la cal llegue a todas las zonas de suelo susceptibles de presentar problemas de hinchamiento o retracción. Así como en otros efectos, como la trabajabilidad o la permeabilidad, pudiera bastar una manifestación macroscópica, en este es importante llegar al nivel de partícula si se quiere reproducir la mejora que se manifiesta en los ensayos de laboratorio. Aumen Au mento to inmed in med iato ia to d e la co c o nsis ns iste tenc ncia ia
El reordenamiento de las partículas provocada por la ruptura de la distribución laminar y la reducción de la capa doble se manifiesta, como ya se ha dicho, en varios efectos en cuanto a alteración de las propiedades físicas de los suelos arcillosos. Pero también tiene una manifestación en las propiedades mecánicas de los mismos. El aumento de la capacidad portante se basa principalmente en que la nueva distribución de partículas del suelo permite una mayor redistribución de las tensiones ante solicitaciones exteriores. El desorden introducido en la masa del suelo hace que el reparto se pueda producir entre más partículas y en direcciones diferentes a las simplemente ortogonales que se generan ante una estructura laminar. Además, ello hace que incluso intervenga la resistencia propia de las partículas, mientras que en la estructura laminar sólo colaboran las fuerzas entre ellas.
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Mayor Mayor resist r esistencia encia a largo plazo
El único efecto de entre los mencionados en el que interviene lo que se ha llamado la reacción puzolánica, se plasma en un incremento muy importante de la resistencia de un suelo a medio o largo plazo por la aplicación de cal. Este efecto se basa en la formación de productos cementantes en la matriz de partículas de la arcilla, que establece enlaces de rigidez y resistencia mucho mayores que las inicialmente existentes. A diferencia de la ganancia en la consistencia que se ha descrito como un fenómeno inmediato de aplicación de la cal, justificado por el incremento en la fricción interna, el efecto de la reacción puzolánica se basa en un aumento muy sustancial de la cohesión interna de las partículas. Como se ha citado éste es un fenómeno cuya ocurrencia está condicionada por diversos factores:
La disposición de sílice sílice y alúmina en en la arcilla en cantidad suficiente
La posibilidad de liberación de la misma
La presencia de un medio medio con pH adecuado para su liberación
La existencia existencia de cal libre en cantidad suficiente suficiente para la reacción
Condiciones de humedad y temperatura favorables
El transcurso de un plazo suficiente suficiente para la reacción. La ganancia de resistencia en los suelos mediante la adición de cal es el
único efecto de los mencionados que requiere un proceso de curado. Plazos indicativos para obtener efectos de incremento estable de resistencias con cal suelen estar entre los 28 y 360 días. Incluso algunos autores justifican incrementos de resistencia transcurridos varios años desde la aplicación de la cal. Estos plazos, en ocasiones tan prolongados, ilustran la importancia de asegurar las condiciones de conservación o mantenimiento del suelo si se persigue lograr este efecto en su tratamiento con cal.
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6.2. 6.2.3. 3.8. 8. Apli cación de la soluc ión mediante sist ema de inyecc ión d e cal. Estabilización química mediante el sistema de inyección.
Mediante esta técnica, la lechada de cal es inyectada a presión en el suelo, lo que permite tratarlo en condiciones inalteradas y a la profundidad deseada. Resulta ser la técnica de estabilización química más económica una vez que ha demostrado su efectividad en un sitio, además presenta la ventaja de poder ser utilizada para realizar reparaciones a estructuras que ya han sido afectadas por los suelos expansivos. La lechada inyectada tiende a seguir o a crear planos de fracturas en el suelo, depositando numerosas franjas de cal que encapsulan a los bloques existentes entre ellas. Esto permite que exista una reacción química constante entre el suelo y la cal a lo largo de las franjas, aunque debido a que ni la cal ni el agua logran penetrar profundamente en el suelo, no se llega a producir un tratamiento uniforme de este. Por tanto, el mayor resultado es el de proporcionar un efecto de pre humedecimiento al suelo, y el de retardar su cambio de humedad, ya que las franjas funcionan como barreras de humedad. Cabe destacar que la condición más favorable para alcanzar el éxito mediante esta técnica, es la presencia de una extensa red de fisuramiento en el suelo capaz de proveer caminos para la dispersión de la lechada. Características:
La inyección de lechada de cal cal se realiza a altas presiones (50 a 200 psi).
Las profundidades típicas de inyección son de 2 a 4 m de profundidad.
Dentro de las técnicas que existen existen para perfeccionar este método, se tiene por ejemplo, la utilización de cuadrícula de zanjas que se rellenan de lechada, inyección a través de taladros, e inyección a gran presión.
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Existen también también aditivos que permiten facilitar facilitar la penetración, penetración, como por ejemplo, los agentes tenso activos, que aumentan la penetración por las fisuras al disminuir la tensión superficial.
Adicionalmente, la superficie del relleno de construcción será cubierta con la lechada de cal como resultado del proceso.
Este material material es mezclado mezclado con el suelo para formar una plataforma de trabajo después de la inyección.
Ejemplos de aplicación de estabilización mediante cal, en el extranjero:
Inyección de cal al suelo Costa Rica
Residencia en Palma de Mayorca. Escazú.
Condominio Galvez Club, Bello Horizonte
Extendido y mezclado de cal con el suelo España
Autopista AP-61 San San Rafael - Segovia (IBERPISTAS - Ministerio de fomento)
Nuevas pistas pistas aeropuerto aeropuerto de barajas (AENA – Ministerio de fomento) fomento)
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CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES
7.1. RECOMENDACIONES, PREVENCIÓN Y CONTROL
Deberán seguirse una serie de recomendaciones generales tanto en proyecto como en ejecución y de las cuales deberán elegirse las más favorables en función del caso particular:
Profundidad de apoyo.
La solución de cimentación propuesta, deberá ser apoyada a una profundidad suficiente, considerando la búsqueda de zonas de estrato menos expuestos a los cambios de humedad y oscilaciones del nivel freático, intentando evitar así la capa activa.
Cargas.
Las cargas transmitidas por la cimentación al estrato, deberán compensarse con la tensión máxima admisible del suelo, asentamientos y la presión de hinchamiento, de modo que ésta no supere la carga de trabajo de la fundación.
Sistema de cimentación.
Las losas, zapatas y pilotes, deberán en todos los casos estar perfectamente arriostradas en dos direcciones, con vigas de amarre adecuadamente armadas.
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Conducciones subterráneas. subterráneas.
Tanto en proyecto como en ejecución deberán controlarse, todas las conducciones subterráneas, saneamientos, canalizaciones y tuberías, para evitar roturas o fugas de agua que alteren el estado de humedad del suelo y puedan producir movimientos del terreno.
Urbanización Urbanización exterior.
Veredas amplias y pavimentaciones extensas impermeables debidamente armadas para evitar roturas; dispuestas de forma perimetral, con pendiente hacia fuera y cunetas en el borde exterior.
Drenaje.
Sistemas de drenaje perimetral efectivos y sistemas que eviten el colapso de los mismos (geotextil) y permitan la correcta evacuación de las aguas superficiales.
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7.2. RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS 7.2.1. Recomendaciones para la construcción de fundaciones sobre relleno estructural: Alte Al tern rnati ati va de d e fun f und d ació ac ió n d e zapat as y cim c imien iento to c o rrid rr id o en rel leno len o estr es truc uc tural tu ral
Se recomienda antes de iniciar la faena de excavación para fundaciones, fundaciones, realizar la extracción de la capa vegetal del suelo donde sea necesario realizar un escarpe.
Las excavaciones para las fundaciones se pueden realizar a máquina o manualmente con taludes verticales. Pero los últimos 10 cm, antes de llegar al sello de excavación, deberán ser realizados manualmente a modo de obtener un sello no perturbado.
Los sellos sellos de fundación deberán otorgar una resistencia resistencia y rigidez necesaria.
Para determinar determinar la altura de excavación y extracción del material expansivo expansivo bajo nivel de terreno, se deben realizar calicatas de reconocimiento en cada casa para determinar profundidad del estrato de arcilla expansiva.
Luego se debe colocar material material de relleno compactado compactado preferentemente grava arenosa de tamaño máximo 4” y contenido de finos no superior al 20 % bajo la malla n°200 ASTM. La compactación se debe realizar en capas de espesor no mayores de 30 cm. Con 6 pasadas por cada punto de rodillo vibratorio de 10 ton de peso estático mínimo.
Las fundaciones se deben hormigonar hormigonar directamente directamente contra las paredes del suelo, cuando sea posible.
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Los radieres se
recomiendan construir después de terminada la obra
gruesa de las viviendas, con radier de hormigón de 170 kg de cemento por m3 de mezcla. Alte Al tern rnati ati va de d e fun f und d ació ac ió n d e losa lo sa en rell re lleno eno estr es tr uc tural tu ral
Una vez analizado el retiro del suelo expansivo y posterior posterior reemplazo por relleno estructural, se debe compactar el sello con rodillo sin vibrar.
El material material para el el relleno estructural a utilizar para alcanzar la cota de patio debe ser preferentemente grava arenosa de tamaño máximo 4”, con no más de 20% de finos bajo la malla n°200 ASTM. Este relleno se debe colocar y compactar en capas de espesor medido suelto no superior a 30 cm. Cada capa se debe compactar con un mínimo de 6 pasadas por cada punto, de rodillo vibratorio de peso estático 10 ton. La primera capa se debe compactar sin vibrar, con el mismo equipo sugerido para el sello de escarpe.
El relleno se debe controlar con con densidades in situ, 1 por cada capa capa de cada vivienda y como requisito se debe obtener una densidad seca mínima equivalente al 95% de la DMCS, dada por el ensayos Proctor modificado.
El relleno granular compactado compactado en la zona exterior de las viviendas (sobreancho de excavación), debe alcanzar como mínimo entre 0,30 a 0,50 m, dicha zona se debe rellenar con arcilla de procedencia local, compactada con placa compactadora, con 6 pasadas por cada punto sin control de densidades. El objetivo es formar un sello impermeable a las aguas que pudiera generar una humedad permanente en el suelo de fundación y potencialmente en las viviendas.
Las pasadas de ductos por las fundaciones deberán sellarse sellarse en cada caso. 122
La pendiente de los patios será tal que durante la construcción y en el futuro, las aguas lluvias no se acumulen en el perímetro de la casa.
La losa de fundación deberá considerar tratamiento tratamiento de corte capilar y hormigón de alta resistencia, para evitar el ascenso de humedad a los muros de las viviendas.
Figura 7-1. Esquema de relleno para fundació n Fuente: Elaboración Propia
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7.2.2. Recomendaciones para la ejecución de la solución mediante losa autosoport ante sobre pilotes:
Se debe solicitar solicitar la elaboración de la planta estructural de la vivienda al al ingeniero calculista.
Posteriormente, se debe realizar un análisis análisis de la ubicación de los pilotes, en primera instancia, en los encuentros de los ejes estructurales, por ejemplo en el caso de intersecciones de muros. Además, se debe analizar en forma secundaria la ubicación de pilotes para cumplir con la distancia mínima (S) entre apoyos establecida por el calculista.
Figura 7-2. Ejemplo de distribución de pilotes en planta Fuente: Elaboración Propia
Se debe verificar la longitud del sistema de pilotes a partir del análisis estratigráfico del suelo de fundación, determinando si los espesores de estos, específicamente del estrato de arcilla expansiva, son homogéneos o irregulares, para determinar cuál debe ser el parámetro de longitud de cada pilote. Además, se debe considerar la magnitud de las presiones de hinchamiento que podrían generar levantamiento en cada uno de éstos, con el objetivo de establecer la longitud adicional o de holgura, que se ubica en 124
el estrato consecutivo al estrato potencialmente expansivo o capa activa y que posee mejores condiciones de fundación.
Posteriormente, se debe analizar la información referente a las cargas individuales que actúan sobre cada pilote. Este análisis permitirá resolver la problemática que podría generar un asentamiento diferencial entre pilotes próximos. De este modo, para el pilote que recibe mayor carga se debe modificar su diseño inicial, aumentando el largo o su sección, para disminuir el posible asentamiento hasta otorgar una magnitud cercana al promedio del grupo de pilotes dentro de la estructuración.
Realizado el estudio estudio de suelos, calculada la estructura y teniendo un trazado y replanteo correcto, se procede a llevar el equipo o personal de excavación a los puntos donde se debe ubicar cada elemento de acuerdo a la planimetría de diseño estructural de la vivienda.
En el caso de tener disponibilidad de maquinaria maquinaria el proceso resulta sencillo, ya que la misma ingresará una broca al terreno, haciendo la extracción del volumen de tierra necesario para que pueda ingresar el pilote y verificando la altura del mismo. Si no se dispone de maquinaria, se debe excavar la sección circular manualmente, donde el obrero ingresara metro a metro, entibando porciones controladas de corte de suelo.
En el caso de presencia de napa, esta se debe deprimir deprimir mediante el sistema de bombeo directo a medida que se excava. Aunque, es recomendable ante este inconveniente el uso de maquinaria.
La utilización de pilotes pilotes de hormigón armado es conveniente para resistir posibles esfuerzos de empuje lateral dentro del terreno, los cuales dañarían la conformación de un elemento que no contenga acero por efecto del esfuerzo de corte. El acero de construcción estará armado de manera 125
circular y los estribos o “zuncho” en el caso de esta sección, permiten juntar las barras de la estructura. La armadura de acero previamente calculada, se ingresa hasta el fondo de la excavación y se comienza a vaciar la mezcla de hormigón, como recomendación (H-25). En la mayoría de los casos debe preverse la contratación de carros hormigoneros que puedan ingresar la manguera hasta el fondo de la fosa. Dicha manguera deberá elevarse manualmente a medida de que el hormigón vaya llenando la cavidad.
Finalmente, una vez vaciado y fraguado el pilote, se procederá a realizar el sistema de cimentación de la vivienda de manera normal, sobre estos se ubican las vigas de unión que permiten acoplar cada uno de los pilotes en un sistema. A lo cual se suma la colaboración de la losa auto soportante doblemente armada. Para ello, se considera que la cabeza del pilote y las barras de aceros que salen de ella, deberán entrelazarse con la malla inferior de la losa de piso, la cual se encuentra aislada del suelo con una cierta separación a la superficie del del terreno. Este sistema sistema permite que la estructura de una vivienda no se vea afectada por la ocurrencia de expansión de las arcillas presentes en el terreno otorgando resistencia, más aún ante la ocurrencia de asentamientos.
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7.2.3. Recomendaciones para la ejecución de la alternativa mediante estabilización estabilización con cal:
La lechada de cal debe ser inyectada a presión en el suelo, mediante un equipo de inyección, el cual realiza esta acción bajo un rango de presiones entre 50 a 200 psi.
Las profundidades a la cual se recomienda recomienda realizar el proceso de inyección varía entre 2 a 4 m de profundidad.
Es aconsejable la utilización de la técnica de cuadrícula de zanjas para posteriormente ser ejecutada la inyección de lechada.
Se recomienda el uso de aditivos que permitan facilitar la penetración, como por ejemplo, los agentes tenso activos, que aumentan la penetración por las fisuras al disminuir la tensión superficial.
Adicionalmente, la superficie del relleno relleno de construcción debe ser cubierta con la lechada de cal como resultado del proceso para otorgar un escenario resistente al trabajo de construcción de la vivienda.
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7.3. CONCLUSIÓN CONCLUSIÓN FINAL
La cimentación sobre arcillas expansivas es posible siempre y cuando se cuantifique con exactitud el grado de expansividad y se tomen las medidas adecuadas a cada situación. Es esencial para ello, la realización de un estudio geotécnico completo, previo a la realización del proyecto donde se determinen las características geológicas y geotécnicas del terreno. Por esta razón, es determinante la importancia de la información a partir de los ensayos de laboratorio, que permiten cuantificar la expansión del suelo en cuestión. Ya sea resultados de Clasificación USCS, Limites de Atterberg, Contenido de humedad, Contenido Coloidal, Presión de Hinchamiento, Hinchamiento Libre, Ensayo Proctor Modificado, Ensayo de Consolidación y Compresión no Confinada. Si bien estos resultados experimentales por sí solos no son concluyentes con la respuesta del suelo in situ, si otorgan un parámetro muy cercano para determinar potencial expansivo cuando se complementan con la determinación de la composición mineralógica de la arcilla, el espesor de la capa activa de suelo y el efecto de la variación de humedad. Mediante el análisis efectuado para la zona de estudio con mayor presencia de arcilla expansiva en la Región Metropolitana, correspondiente a la zona de Finos del Noroeste, se verificó un alto potencial expansivo. Por este motivo, es indispensable evaluar y controlar tanto los asentamientos, como la expansión de las arcillas. Esto se puede lograr analizando la mejor solución de ejecución ante la presencia de éstas para cada proyecto en particular, determinando el sistema de cimentación adecuado que garantice la mayor seguridad tanto para la estructura de las viviendas como para las personas, y que sea más conveniente desde el punto de vista del rendimiento constructivo y económico. Considerando los alcances de esta memoria, para estructuras de uno, dos y tres niveles se aconsejan las soluciones revisadas a lo largo de este estudio, en concreto la remoción y reemplazo de terreno, losa autosoportante apoyada sobre 128
pilotes y estabilización con cal. Teniendo en cuenta, que si la carga de la estructura es mayor según sus niveles, variaran las dimensiones de las fundaciones, ya sea en el uso de zapatas, losas o pilotes. Asimismo, es fundamental que la carga máxima no sobrepase la carga admisible del suelo. Ante la presencia de un suelo potencialmente expansivo, es fundamental considerar entonces, las dos grandes líneas de acción que serían: actuar en reducir o eliminar la expansión del suelo, al remplazar o modificar las propiedades expansivas de este. Y actuar sobre la estructura, en la selección de un diseño de fundación apropiado, por ejemplo el uso de pilotes, cuya función principal es evitar esfuerzos debidos a la presión de expansión. Sin embargo, la decisión de utilizar una u otra alternativa de solución depende no sólo de los factores que presenta el terreno por la presencia de arcillas expansivas, su comportamiento y su efecto sobre las estructuras. Sino que también se ve influenciada por las características propias del proyecto a desarrollar, esto referente a la magnitud del proyecto, costos asociados y a las condiciones aledañas a la construcción como es el caso de construcciones o condominios de viviendas cercanos a la obra, los cuales deben ser analizados por el impacto que produciría una u otra alternativa. Cabe señalar, que las fallas frecuentes que se presentan en proyectos de esta envergadura son “de tipo constructivas o de ejecución”, como por ejemplo, rellenos mal ejecutados, elementos de dimensiones menores a las del diseño y errores propios del terreno. No obstante, a partir del análisis realizado se plantea que el mejor resultado se obtiene con la solución de remoción y reemplazo a través del relleno masivo de todo el sitio, lo cual permite mejorar tanto el terreno de cada vivienda, como las características propias de un proyecto, ya sea áreas para futuras ampliaciones, veredas y vías de transporte.
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Asimismo, las soluciones de reemplazo de suelo y uso de pilotes, presentadas y desarrolladas en esta memoria son utilizadas en la práctica de forma habitual con buenos resultados, sin embargo, depende de cada proyecto y del control adicional que se le dé a éste, el comportamiento comportamiento final. Por tanto, en cuanto a la solución con uso de cal, si bien no es usada aún en el país, su utilización y desarrollo se presenta como desafío para el estudio de ésta y de nuevas alternativas que permitan desarrollar el área de la ingeniería y la geotecnia, en función de la construcción.
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