LOS SUELOS EXPANSIVOS, DISPERSIVOS Y COLAPSABLES Y SU
PROBLEMÁTICA
Juan Martín Villamil Silva, Samir Alfredo Chamie, Jose Gabriel Cuellar Martinez, Carla Juliana Monroy Rozo
Facultad de Ingeniería civil, Pontificia Universidad Javeriana,
Bogotá DC., Colombia
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Abstract— This paper tries to explain the origin, characteristics and properties of the three types of soils; collapsible soils, expansive soils and dispersive soils and why these types of soils have geotechnical problematic for Engineering projects.
INTRODUCCIÓN
El objetivo de este trabajo es el desarrollo del concepto de los suelos colpsables, expansivos y dispersivos. Estos suelos tienen unas características especiales en su fábrica y estructura que producen como efecto en ellos características particularmente problemáticas para desarrollar obras civiles, pues tienden a fallar fácilmente si no se realiza un mejoramiento en ellos.
DESARROLLO DE CONTENIDO
Suelos Expansivos
Los suelos expansivos son aquellos suelos que tienden a presentar expansiones o contracciones en la masa de material, estos fenómenos son producidos por cambios de volumen cuando varía la humedad o el contenido de agua del suelo. Algunos materiales de arcilla poseen la propiedad de absorber una gran cantidad de agua y retenerla a casusa de su estructura, el agua absorbida produce el incremento del volumen en el material y cuando el agua que poseía se seca, produce una reducción del volumen y provocando las contracciones.
Cuando los suelos expansivos se encuentran en presencia de humedad son considerados de tipo arcilloso inestable, ya que al poseer la propiedad de sufrir cambios de volumen cuando varía su contenido de humedad, pueden producir grandes daños en edificaciones cercanas a este tipo de suelo, donde en caso de experimentar una expansión o una contracción pueden producir grietas en las paredes o en el peor de los casos que la cimentación fallara y que toda la edificación colapsara.
Origen
Los suelos expansivos suelen presentarse en zonas donde las condiciones climáticas propicien grandes cambios en el contenido de humedad de los suelos, como en zonas de precipitaciones frecuentes o donde se tienda a llover y ocurran sequías posteriores, por lo que los cambios volumétricos como expansiones y contracciones puedan ocurrir. A causa de las condiciones climáticas se puede influir de manera directa al comportamiento de los suelos y provocando la aparición de suelos expansivos. La presencia de aguas subterráneas que se infiltran desde la superficie puede ser otro detonante para la aparición de suelos expansivos y la ocurrencia de todos los problemas que estos conllevan.
1.3 Problemas
El contenido de humedad es la, varía en un límite muy amplio, dependiendo de cada zona geográfica. Se expresa como un porcentaje. El contenido de humedad es un factor muy
importante cuando se habla de la expansión de suelos ya que nos puede indicar donde se podrían presentar expansión si tienen materiales arcillosos.
Los suelos expansivos son muy problemáticos por lo susceptibles que son a sufrir cambios volumétricos a causa de la variación de su contenido de agua, como ya se ha dicho antes. Estos suelos se caracterizan por poseer materiales arcillosos, los cuales cuentan con una gran capacidad para absorber grandes cantidades de agua y retenerla, provocando cambios en el contenido de humedad (cantidad de agua o humedad que se presenta en un suelo), que finalmente lleva a una expansión del material, lo que no ocurre de forma uniforma y moderada, y cuando el agua se seca, ocurre una reducción abrupta del volumen, provocando una contracción en el material.
Razón por la cual son problemáticos
El suelo expansivo representa un problema muy importante para la construcción, debido a que por ejemplo en épocas de precipitaciones prolongadas, los suelos pueden absorber tales cantidades de agua que se produzcan expansiones, estos incrementos de volumen no se presentan de manera uniforme, sino que se producen en diferentes zonas, lo cual pueden provocar levantamientos, por ejemplo, en ciertas partes de unas cimentaciones, desequilibrando toda la estructura. Cuando el suelo se seca, y llega el momento de que el suelo tienda a contraerse, puede generar asentamientos en ciertas zonas, por la misma razón de que al momento de expandirse no lo hizo uniformemente, estos asentamientos pueden dañar severamente la estructura, a tal grado de hacer fallar a la cimentación y el colapso de una edificación.
Tipos
Los suelos expansivos se identifican por el potencial expansivo que poseen, propiamente se le llama suelo expansivo a cualquier suelo que tiene en sus componentes minerales como caolinitas, ilitas y montmorillonitas. Por tanto, todas las arcillas tienen, de mayor o menor medida, un potencial de expansión en sentido de que pueden perder o ganar volumen como consecuencia de la variación de su contenido de humedad. Los minerales activos identificados que propician este tipo de comportamiento son la montmorillonita, la vermiculita y algunas haloisitas, estos son considerados como tal ya que poseen la capacidad de absorber moléculas de agua dentro de su propia estructura molecular.
Los suelos expansivos se clasifican según su potencial de expansión como muy alto, alto, medio y bajo, esto se acuerdo a los valores obtenidos para cada suelo de límite líquido, del índice de plasticidad, contenido de partículas coloidales y límite de contracción. Un suelo altamente expansivo es considerado así por tener resultados muy elevados para los primeros tres criterios y resultados bajos para el límite de contracción.
Suelos Dispersivos.
Los suelos dispersivos son aquellos en los que se muestra la presencia de erosión en un alto porcentaje, principalmente se encuentran constituidos por arcillas dispersivas cuyas partículas presentan una alta tendencia a separarse ante la presencia de un flujo debido a su composición química y a su mineralogía. Básicamente lo que ocurre es que entre las mismas partículas de arcilla ante la presencia del agua se genera una repulsión electrostática lo cual facilita a la separación de estas.
2.1 Origen
Dentro del origen de los suelos dispersivos se dice que las arcillas que lo conforman son de carácter aluvial, eso quiere decir que viene de materiales o suelos que han sido arrastrados por corrientes de agua como es el caso de las arcillas que se encuentran en los lechos de los ríos, por otra parte también se indica que tienen orígenes de suelos derivados de lutitas y arcillita, en unos casos no tan comunes se generan a partir de la acción de agentes externos de rocas ígneas y metamórficas sin embargo es muy común encontrarlos en todo tipo de terrenos y ambientes sean suelos que sean muy ácidos o en suelos muy salinos, sin embargo en el ambiente más común donde se encuentran son en climas áridos y semiáridos en el caso de Colombia se pueden evidenciar en el departamento del Huila y La Guajira.
2.2 Problemas.
Los suelos dispersivos los cuales están conformados por arcillas dispersivas pueden presentar diferentes problemas en el campo de la construcción como es en el caso de las estructuras hidráulicas dentro de las que se encuentran: presas de tierra, terraplenes, carreteras entre otros, básicamente lo que ocurre es que al no haber adherencia entre las partículas ante la presencia de agua el suelo pierde cohesión generando erosión en el terreno, sin embargo el impacto dependerá en gran medida de la composición química y mineralógica de estas arcillas.
La falla por tubificacion es un problema que se genera en suelos dispersivos arcillosos se puede generar tanto en la construcción de terraplenes como de presas, básicamente se debe imaginar una estructura que está hecha sobre un suelo con arcillas dispersivas si se llegase a filtrar el agua en la parte de inferior de esta el terreno se comenzara a erosionar llegando hasta la parte superior debido a que se genera una red de flujo hacia aguas arribas de la estructura creando un túnel de agua el cual llegara en un punto a llevar a la estructura a la falla.
Dentro de los antecedentes mundiales se pueden evidenciar casos en todas partes del mundo por ejemplo en Australia en 1964 un embalse el cual estaba sobre suelos salinos comenzó a presentar pequeñas filtraciones debido también a que eran aguas de pozo de una muy alta concentración, se había planeado construir una tubería de 32 Km la cual conectaba con un rio que tenía aguas con una menor concentración de sales, una vez se había realizado este proyecto ya era demasiado tarde y el embalse fallo tres días después. También se puede hablar del caso de Brasil en 1977 con una represa llamada Sobradinho, en la cual se habían encontrado una cantidad significativa de arcillas dispersivas lo que hicieron fue compactar la arcilla y realizar ensayos de filtración sobre ellas y llegaron a la conclusión, que tienen mejor comportamiento frente a la tubificacion y por otra parte se planteó el uso de filtros de arena que evitaran que el agua generara el fenómeno de tubificacion.
Para evitar estos problemas se han realizado ciertos ensayos los cuales han llegado a la conclusión que las arcillas que estén bien compactadas no van a tener efectos de filtración de agua, sin embargo, se pude utilizar bases de calcio para fortalecer el material, pero no se garantiza que sean aun así resistentes debido que se pueden generar aun así agrietamientos por contracción y asentamientos diferenciales en el proceso de construcción de alguna de estas estructuras.
2.3 Tipos de suelos dispersivos.
La clasificación de los suelos dispersivos por ser tan variables no se puede realizar físicamente debido a que habrían muchos tipos ya que se encuentran en casi todos los climas y en todos los ecosistemas, sin embargo se pueden realizar a partir de ensayos de laboratorio para conocer el porcentaje de dispersión el cual nos dirá si ese suelo no tiene grado de dispersión o por otra parte si es intermedia o si es dispersivo, esto se puede obtener a partir de los siguientes ensayos: Prueba de Crumb, Doble hidrómetro. Pinhole, ESP y SAR cada persona decide que ensayo realizar para conocer en qué estado se encuentra el suelo.
2.4 Razones por las cuales son problemas.
Una de las principales razones por las cuales son problemas los suelos dispersivos es porque no hay cohesión, por lo cual en el momento de construir es mucho más difícil y requiere más costos y gastos para lograr estabilizar el material, por otro lado, la formación de túneles y flujo ante la presencia del agua es una amenaza latente en cualquier tipo de estructura que se vaya a ejecutar por lo cual lleva a concluir que si la amenaza de suelos arcillosos lleva a decir que si es posible retirarlos es mejor hacerlo debido a que siempre serán un riesgo.
Suelos colapsables
Los suelos colapsables se caracterizan por su alta capacidad de colapsar debido a una reducción rápida del volumen. Fenómeno generado por factores como el contenido de humedad, grado de saturación, tensión media actuante, tensión de corte y presión de poros. Los suelos colapsables se caracterizan por:
Tener una estructura macroporosa, donde la relación de vacíos es relativamente alta.
Presentar una granulometría fina donde prevalece la presencia de limos y arcillas. Generando así, una granulometría mal gradada donde los tamaños que son granulares tienen presencia de meteorización y los tamaño arcillas están presentes en escaza cantidad.
Baja cohesión.
Tener una textura donde la fracción gruesa está unida por la granulometría fina, limos y arcillas, que en presencia de agua su saturación varia generando que la unión entre fracción gruesa y fina colapse por ende colapsa el suelo.
Origen
Los suelos colapsables son del tipo limo-yesiferos o limo-arenoso, es decir, son el resultado
de la meteorización de rocas sedimentarias como la limonita, del yeso y la arenisca. En la estructura del suelo, los espacios vacíos son llenados por cementantes débiles de yesiferos y carbonaticos los cuales en ausencia de agua mantienen estable el suelo. En presencia del agua, los cementantes se diluyen generando un colapso. Estos suelos se originan por la depositación generada por factores transportadores como el viento o de aguas tranquilas lo cual permite el transporte de partículas finas que permiten que se depositen cuando la corriente es baja.
Algunos rellenos arenosos, cenizas volcánicas y dolinas en zonas kársticas son suelos los cuales tienden a ser colapsables.
Problemas
Respecto a los suelos colapsables los problemas de estos suelos son su susceptibilidad a los cambios sobre ellos, ya que cualquier alteración interna o de un agente externo (como agua) genera el colapso de la estructura del suelo. Como anteriormente se menciono es un suelo transportado el cual tiene un grado de compactación bajo generando así, gran cantidad de espacios vacíos.
A pesar de que algunos materiales cementantes se almacenen entre los espacios vacíos, en presencia de agua se diluyen perdiendo así lo que le daba al suelo un sistema unido y junto. Pero al perder el material cementante, en el suelo permanecen son arcillas y limos, granulometría fina, con granos gruesos. Es decir, que con gran cantidad de vacíos a cualquier carga o alteración, estos vacíos son ocupados por las partículas del suelo en el colapso y como consecuencia se obtiene una reducción de volumen importante.
Razón por la cual son problema
Los suelos colapsables son un gran problema y a la vez un gran peligro para una estructura situada sobre él, ya que cuando el suelo reduce el volumen existe un asentamiento y eso genera en la estructura rígida una cantidad de problemas respecto a fisuras y daño en la cimentación. Para evitar que haya un daño sobre la estructura, la cimentación debe estar situada en el suelo debajo de los suelos colapsables entonces si ocurre el colapso no afecta los cimientos de la estructura.
También, son problema ya que los cambios de volumen en estos tipos de suelo no se dan de manera continua ni uniforme a lo largo del terreno. Generando así irregularidad del terreno y afectación de estructuras sobre el terreno.
Tipos
Los suelos colapsables se dividen en 2 grupos. El grupo 1, son los cuales tienen un cambio brusco y rápido en la relación de presiones efectivas y deformaciones. Los limos o arcillas cementadas y rocas con un alto grado de porosidad hacen parte del grupo 1. Los suelos del grupo 2, son los cuales colapsan sin que haya un cambio en la presión o en la deformación, los loess y arcillas con sulfatos pertenecen a este tipo de suelos colapsables.
CONCLUSIONES
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