SUELOS ARCILLOSOS EXPANSIVOS.

MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE TRANSPORTE

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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES Y VIAS DE TRANSPORTE TEMA: Suelos Arcillosos suceptibles a Problemas de Expansion y Contraccion.

DOCENTE: Ing.

UAP

ALUMNO: UAP.

Abancay-NOVIEMBRR 2011

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INTRODUCCIÓN

En la mecánica de los suelos la reducción de volumen por eliminación de agua por cargas aplicadas (consolidación) es un tema ampliamente conocido, no así el que corresponde al trabajo externo que deriva de la expansión y/o contracción de los suelos, y que afectan a las estructuras que en él se apoyan, particularmente por incremento o disminución diferenciales de humedad. Esto implica que deberá tener ciertos cuidados en el proyecto de las obras básicas y de la superestructura, de forma tal de minimizar los efectos nocivos de las presiones de expansión y contracción, que producen la acción de estos suelos expansivos.

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1. Lutitas La lutita es una roca sedimentaria detrítica o clástica de textura pelítica, variopinta; es decir, integrada por detritos clásticos constituidos por partículas de los tamaños de la arcilla y del limo. En las lutitas negras el color se debe a existencia de materia orgánica. Si la cantidad de ésta es muy elevada se trata de lutitas bituminosas. Colores gris, gris azulado, blanco y verde son característicos de ambientes de posicionales ligeramente reductores. Coloraciones rojas y amarillas representan ambientes oxidantes.

Las lutitas son porosas y a pesar de esto son impermeables, porque sus poros son muy pequeños y no están bien comunicados entre ellos. Pueden ser rocas madre de petróleo y de gas natural. Por metamorfismo se convierten en pizarras o en filitas. Su diagénesis corresponde a procesos de compactación y deshidratación.

Lutitas de coloraciones diferentes. Según su forma de fragmentación, las lutitas pueden ser físiles o no físiles. Las físiles se escinden en planos paralelos espacialmente próximos. Las no físiles, en cambio, se escinden en fragmentos o bloques. Su contenido mineralógico está conformado por minerales arcillosos, cuarzo, feldespato y micas.

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2. Arcilla expansivas En la geotecnia se denominan arcillas expansivas, a minerales generalmente del grupo de la montmorillonitas, que presenta la propiedad de absorber gran cantidad de agua entre sus láminas, aumentando considerablemente de tamaño al hidratarse. Debido a que este proceso de naturaleza fisicoquímica, durante el proceso de absorción se desarrolla presiones de hinchamiento que puede llegar a ser considerable. El agua absorbida es perdida en épocas de sequía por evaporación o a través de los vegetales, sufriendo la masa arcillosa una notable contracción y produciéndose un agrietamiento generalizado del suelo. Al ocurrir un nuevo periodo de lluvias el agua satura la superficie y esta se infiltra por las grietas del terreno, produciéndose una nueva hidratación con el consiguiente hinchamiento de las arcillas y la desaparición de las grietas. Una característica de importancia fundamental en este proceso de contracción-hinchamiento es que las variaciones de volumen no se producen en forma homogénea en todo el terreno, sino que hay diferencias entre un lugar y otro. Aparecen sectores de metros o decenas de metros cuadrados de superficie que se hinchan y se contraen mas que las áreas vecinas, configurando una superficie de mosaico irregular en el que se producen una serie de movimientos diferenciales. La intensidad de los procesos de expansión y contracción depende en primer lugar de la mineralogía de los suelos, en particular dentro del grupo de la montmorillonita, los minerales como el Na y el K son los mas inestables, por lo que dependerán de la presencia de estos la actividad de los mismos. La arcilla de los suelos, normalmente, son mezclas de varios minerales diferentes:

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1. Propiedades de los suelos expansivos Los suelos expansivos, implican no solamente la tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta el contenido de agua, sino también a la disminución del volumen o contracción si el agua se va perdiendo.

En la tabla que se muestra a continuación se tiene una guía para estimar el cambio probable de volumen en suelos expansivos:

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a. Contenido de humedad Las arcillas, expansivas que no sufren una alteración de su contenido de humedad, no experimentan cambios de volumen. Cambios de humedad se originan por: 1) Infiltración y variación del N.F. 2) Succión por capilaridad. En arcillas las fuerza capilar es uno de los principales medios de transferencia del agua. 3) Osmosis. Diferentes concentraciones de iones en el agua.

b. Densidad seca Las arcillas, que tienen densidades secas mayores de 1.75 gr/cm3 generalmente tienen alto grado de expansión. Las arcillas que se presentan muy compactas con una densidad seca y contenido de humedades bajos ofrecen un potencial de expansión muy alto.

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2. Expansividad potencial Básicamente, un suelo expansivo esta caracterizado por su expasividad potencial que depende de su composición mineralógica y granulométrica. En suelos potencialmente expansivo sujeto a cambios ambientales puede sufrir modificaciones en su volumen, o a desarrollar presiones de hinchamiento, o ambos, dependiendo del grado de confinamiento a que esta sometido. Hay situaciones donde el grado de expansividad potencial de un suelo nunca se manifiesta, por ejemplo donde el suelo esta saturado permanentemente.

3. Exteriorización del fenómeno Para que el problema de expansión se manifieste, es necesario lo siguiente: 1) Un subsuelo compuesto de arcillas con propiedades especiales. 2) Cargas estructurales de reducida a mediana intensidad. 3) Alteraciones en el contenido natural de humedad del terreno. La magnitud del movimiento depende entonces, de las propiedades del suelo, de las características de la subestructura y del régimen hídrico de la región.

4. Fenómeno expansión-contracción Cada vez que se altera el contenido natural de agua incorporada a la masa de suelo, la arcilla se expande o se contrae en un valor V, y este cambio de volumen produce movimientos relativos de importancia que pueden llegar a dañar seriamente las estructuras en el asentadas. El aumento o disminución en el contenido de agua y el consiguiente hinchamiento o contracción del suelo, es debido básicamente a la infiltración de agua de lluvia o al fenómeno de la evapotranspiración natural a traves de la superficie de terreno.

A estas arcillas expansivas, algunos autores, lo denominan “arcillas potencialmente activas”, dado que pueden contraerse y expandirse.

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5. Manifestación del fenómeno en pavimentos Para que este fenómeno se manifieste, es necesario que coexistan tres condiciones: 1) Subsuelo compuesto de arcillas potencialmente activas. 2) Paquete de pavimento de reducida a mediana resistencia. 3) Alteraciones en el contenido natural de humedad del suelo.

6. Identificación de campo 

Características del Suelo. Muy duro cuando seco, lustroso al corte con lampa, suave y pegajosos cuando húmedo.  Características del Terreno. Evidencias de fisuraciones.  Existencia de Vegetación.  Clima. Localidades propensas a periodos secos seguidos por periodos de clima lluviosos son más susceptibles a la actividad de las arcillas expansivas.  Identificación por métodos directos.

7. Fallas en las estructuras Los movimientos horizontales suelen producir fisuras longitudinales en bordes de los pavimentos, y los movimientos verticales presionan sobre estructuras asentadas sobre estos suelos, produciéndoles daños muchas veces irreversibles, como ser fisuras y grietas de importantes dimensiones en las estructuras rígidas de hormigones, ya sean estas para viviendas, canales, pavimentos u otros usos. Y en las estructuras flexibles, como los de origen asfalticos, les producen deformaciones permanentes, que en los pavimentos estas deformaciones se manifiestan longitudinalmente y/o transversalmente.

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8. Cimentaciones en Suelos Expansivos El grado de expansividad de las arcillas depende de: 1) 2) 3) 4)

Magnitud de los cambios de contenido de humedad del suelo. Estado de humedad inicial (expansión / retracción) Fracción de partículas de tamaño inferior a 2 micras Mineralogía del suelo

9. Profundidad activa Variación de humedad a diversas profundidades. Depende del clima y de lo marcada que sean las estaciones:

  

En el Pto. “A” los Cambios son notorios. En el punto “B”, los cambios estacionales influyen menos y las variaciones de humedad resultan atenuadas. En el punto “C”, el contenido de humedad es insensible a los cambios estacionales. Humedad constante. Profundidad Activa.

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10. Movimientos del terreno 

Los movimientos del terreno, no son enteramente verticales.  Los hinchamientos y retracciones tienen lugar en todas las direcciones y, por tanto, se producen también desplazamientos horizontales  Incremento de humedad en el centro del edificio – hinchamiento.

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11.Alcance  

En el caso de arcillas expansivas, lo más importante es la identificación del problema. La mayor parte de los daños, proceden del hecho de no haberse, apercibido de que tales suelos eran expansivos.

La tipología de las soluciones más comúnmente adoptadas, son:   

Eliminación o mitigación de hinchamientos o retracciones. Independización de la cimentación con relación a la Capa Activa Modificaciones del diseño estructural.

12.Tipología de las soluciones a las cimentaciones a. Eliminación o mitigación de hinchamientos / retracciones 

Medidas de protección o aislamiento. Veredas amplias con pendiente hacia afuera.

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Sistema de drenaje, para tratar de desecar las arcillas. Eficaz pero puede convertirse en un excelente camino de penetración del agua.  Aislar el suelo de manera que no pudiera haber cambio de humedad.  Pavimentación de la calle.  Sustitución del terreno por otro no expansivo. Interesante en caso de pequeña Capa Activa.  Provocar deliberadamente expansiones antes de la construcción, por Medio de una inundación.

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Cambiar las propiedades de expansividad del suelo por tratamientos químicos, Físico, etc.

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Estabilización, consistente en tratar de reducir la potencialidad de cambio de volumen de la arcilla. 1)

Estabilización con cal. La cal es un agente favorable para reducir el hinchamiento en la cimentación del suelo. La ceniza volcánica es usada algunas veces agregada a la mezcla suelo – cal para aumentar la reacción puzolanica.

2)

Estabilización química. El silicato de sodio, hidróxido de calcio, cloruro de sodio, cloruro de calcio y acido fosfórico se han usado para estabilizar el suelo expansivo. Muchos de estos productos químicos son efectivos bajo condiciones de laboratorio pero su aplicación en el campo es muy dificultosa.

3)

Estabilización con cemento. Con 2 a 6 % de cemento incorporado en la arcilla, la mezcla resultante de suelo – cemento actúa como una losa semirrígida. Si a una profundidad el suelo se expande, el efecto resultante tiende a distribuirse uniformemente, reduciendo así el daño causado por el levantamiento diferencial.

b. Independización de la cimentación con relación a la Capa Activa Disponer de los cimientos, lo más profundo posible, por debajo de la Capa Activa o a una importante profundidad dentro de ella.

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c. Empleo de pilotes, cuya profundidad sea superior a la de la Capa Activa.    

Transmisión de esfuerzos al terreno, únicamente por debajo de la Capa Activa. Aislamiento suelo – pilote en zona de Capa Activa. De no ser así, diseñar pilote para absorber empujes laterales por hinchamiento o tensiones tangenciales. Conveniente que el edificio no se apoye sobre terreno.

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d. Modificación del diseño estructural 

Actuar sobre la rigidez y resistencia del propio edificio. La cimentación debe absorber los esfuerzos de flexión que imponga el suelo.  Diseñar el edificio en su conjunto de una gran rigidez. Que incluso llegue a inclinarse con el movimiento diferencial pero no agrietarse.  Dotar al edificio de una enorme flexibilidad, con profusión de juntas. Consiste en una serie de unidades rigidas unidas flexiblemente.

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13.ENSAYO DE EXPANSION LIBRE SEGÚN ASTM D-4829 Este ensayo determina el índice de expansión del suelo compactado, cuando este ha sido inundado. El índice de expansión es una referencia para determinar el potencial de expansión del suelo. Este ensayo es realizado a partir de una muestra inalterada de suelo.

Preparación de la muestra      

Una vez que la muestra ha llegado a laboratorio, esta debe ser secada ya sea al aire o mediante un horno. Luego tamizar la muestra seca en el tamiz Nº 4. A partir de la fracción del suelo que pasa por el tamiz número 4. Tomar aproximadamente 1 kg de muestra. Ajustar el contenido de humedad al contenido de humedad óptimo. El valor de este último es obtenido a partir de las especificaciones técnicas de compactación. Luego proceder a moldear la muestra.

La muestra es adecuadamente compactada en un molde de dimensiones normalizadas. Posteriormente, ajustar el grado de saturación de esta a un valor que se encuentre dentro del rango del 49 al 51%.

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14.ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA

Para la realización de este ensayo se realizan los siguientes pasos:   

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Colocar la muestra de suelo compactada en el anillo de consolidación del edómetro. Aplicar a la muestra una presión de 1 lb/pulg2. Esta presión incluye el peso de las piedras porosas. Después que la carga ha sido aplicada, dejar a la muestra consolidar por un intervalo de 10min, al cabo de los cuales se realiza la lectura inicial. Inundar la muestra de agua destilada y realizar lecturas durante las siguientes 24 horas o hasta que la muestra se estabilice. Extraer la muestra del aparato y determinar el cambio de altura, como el resultado de la diferencia de las alturas inicial y final.

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Calcular el índice de expansión:

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15.Conclusiones 

Los suelos arcillosos expansivos podrán ser lutitas o motmorillonitas, estas últimas dependerán de su composición mineralógica básicamente de K y Na, la que determinará en gran medida su potencial de expansión. MARGOTH

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Los suelos expansivos se pueden estabilizar por diferentes métodos que pueden ser: pre humedecimiento, control de compactación, reemplazo del suelo, estabilización con cal, química y estabilización con cemento.

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Al realizar algún proyecto en terrenos donde se presuma la expansión de suelos, debemos tomar diversas muestras para realizar ensayos simples como: Límites plásticos; ya que la relación: humedad natural entre límites plástico nos da el índice de desecación, lo que da la idea del estado de humedad del suelo.

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Se pueden comparar resultados de los ensayos con los resultados de tablas presentadas para estimar el posible grado de expansión.

16.RECOMENDACIONES 

Se debe considerar que los suelos, expansivos implican no solo la tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta su contenido de humedad, sino también la disminución de volumen o contracción cuando pierde agua.

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Para la estabilización de suelos expansivo se podrá plantear diferentes soluciones, pero se deberá tener en cuenta que en toda obra civil se busca soluciones económicas. MARGOTH

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Para determinar el volumen de hinchamiento se recomienda, ensayos para suelos expansivos.

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El ensayo de expansión libre es un método que nos brinda la información para conocer el volumen de hinchamiento.

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