[UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS]
E.A.P
INDICE RESUMEN...............................................................................................3 I.
SUELOS EXPANSIVOS.........................................................................4 1) Concepto:................................................................................4 2) MOVIMIENTO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS:...............................6 3) FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL FENÓMENO DE LA EXPANSIÓN:
8
4) PROBLEMAS PRESENTADOS POR LOS SUELOS EXPANSIVOS:......10 5) PROPUESTA DE SOLUCIONES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS:.......11 6) CASOS DE CIMENTACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS EN EL PERU:27 7) IDENTIFICACION DE LOS SUELOS EXPANSIVOS:.........................28 II. SUELOS DISPERSIVOS......................................................................34 1. MARCO TEORICO:...................................................................34 2. ARCILLAS DISPERSIVAS...........................................................34 3. CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS DISPERSIVOS......................35 4. TIPOS DE EROSION.................................................................35 4.1. TUBIFICACION...................................................................35 4.2. EROSION POR LLUVIA........................................................37 5. IDENTIFICACION.....................................................................40 5.1. IDENTIFICACION IN SITU....................................................40 6. EJEMPLOS DE SUELOS DISPERSIVOS........................................40 7. ENSAYOS................................................................................41 7.1. ENSAYOS FISICOS..............................................................41 7.2. ENSAYOS QUIMICOS..........................................................45 8. MEJORAMIENTO DE SUELOS DISPERSIVOS................................46 III. SUELOS COLAPSABLES.....................................................................47 I.
Definición de colapso:.............................................................47
II. Características comunes:........................................................48 III.
TIPOS DE SUELOS COLAPSABLES..........................................48
METODOS DE IDENTIFICACIÓN........................................................1
Métodos basados en parámetros físicos de suelos.....................2
Métodos basados en ensayos edométricos................................2 1
[UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS]
E.A.P
SOLUCIONES INGENIERILES EN SUELOS COLAPSABLES.....................2 IV. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES:...............................................4 V. BIBLIOGRAFIA...................................................................................5
2
RESUMEN Los suelos especiales son un particular tipo de suelo que se pueden encontrar en casi cualquier lugar del mundo, éstos presentan un inusual comportamiento cuando se encuentra saturado o en presencia de flujos de agua. Es indiscutible la necesidad del estudio de los suelos como base para desarrollar cualquier proyecto ingenieril. Un correcto análisis de éstos puede prevenir eventos posteriores, que bien pueden ser por el mantenimiento extra requerido o un colapso total de la estructura que pueda desencadenar un hecho catastrófico, para lo cual las informaciones recolectadas de las diferentes bibliografías lo plasmamos en el presente informe, el cual está dividido en tres capítulos para el mejor entendimiento de éste. El manual contiene tres capítulos, en los cuales se trata por separado de los suelos especiales: suelos expansivos, suelos colapsables, suelos dispersivos. Los tres capítulos están estructurados de igual forma, a grandes rasgos cada capítulo comienza con una definición exacta de cada tipo de suelo, ejemplos, imágenes, soluciones y los diferentes ensayos con los cuales son posibles poder identificar cada tipo de suelo.
3
I.
SUELOS EXPANSIVOS
1) Concepto: Los suelos expansivos pueden crear movimientos perjudiciales de expansión y contracción para las fundaciones y otras estructuras. Estos movimientos provienen de cambios en la humedad del suelo. Asegurar un contenido de humedad uniforme en el suelo, al lado y bajo las fundaciones, es lo mejor que se puede hacer para reducir o minimizar el efecto que los movimientos de expansión tienen sobre las estructuras. La utilización de estos suelos requiere condiciones especiales, tanto desde el punto de vista de la ingeniería como de la preparación para agricultura. Los problemas que se presentan en estos suelos son derivados más que todo por los cambios de humedad; éstos a su vez pueden estar inducidos por las cambiantes condiciones ambientales (épocas de sequía y de lluvia), efecto termo-ósmosis, fugas en las conducciones de aguas, extracción de agua por la vegetación aledaña a la construcción. Depende de la estructura de los cristales Depende de su composición mineralógica Depende de la capacidad de cambios de cationes Su comportamiento se caracteriza principalmente por: La contracción de la arcilla debido al secado La expansión de la arcilla al humedecerse Desarrollo de presiones de expansión cuando esta confinado y no puede expandirse Los indicadores abajo descritos (cuadros 1 y 2) son indicios que se pueden buscar para determinar una relación entre el suelo expansivo y los daños de las estructuras. La probabilidad de que una fundación haya experimentado movimientos por expansión y contracción de suelos, aumenta con el número de indicadores observados, su frecuencia y su ubicación en la estructura. El agua puede moverse horizontalmente y verticalmente a través de los suelos, bajo las fundaciones delas viviendas, de una manera similar. Cuando los suelos absorben agua, crecen en volumen (expansión), lo que hace que la fundación se mueva. El secado fuera de la fundación invierte el proceso. Los suelos húmedos pierden volumen (contracción) cuando la humedad se mueve hacia fuera, desde debajo de la fundación, lo produce el asentamiento de la misma. Los movimientos de contracción y expansión del suelo conducen al deterioro de las fundaciones y estructuras. Los cambios uniformes en la humedad del suelo son menos perjudiciales para la estructura que los cambios localizados.
4
5
Los principales investigadores: Lambe Whitman (1959) Fu H. Chen (1975) Brackley (1975) 2) MOVIMIENTO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS: MOVIMIENTOS IRREVERSIBLES: Aquellos que provocan levantamientos progresivos de diferentes partes de la edificación .Logran un equilibrio final de expansión MOVIMOENTOS ESTACIONALES : Cuadro 1 Indicadores externos.
Grietas diagonales (en escalera) en paredes de mampostería. Las grietas pueden atravesar los bloques o el mortero y variar de ancho
Hileras de bloques hundidas a lo largo de una pared. Tapias dobladas o desaplomadas.
Separaciones en esquinas y muretes
6
Separación de calzadas de concreto, patios o aceras
Inclinación muros de retención
Cuadro 2 Indicadores internos.
Grietas en las paredes y en las esquinas
Paredes dobladas o desaplomadas.
7
Bases de paredes separadas del piso
Grietas arriba de puertas y ventanas
3) FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL FENÓMENO DE LA EXPANSIÓN: El potencial expansivo de un suelo (presión de hinchamiento y elevación) dependen, como mínimo, de las siguientes variables: a.1) Naturaleza y tipo de arcilla. La composición mineralógica de la arcilla (porcentajes de illita, caolinita y montmorillonita) que está compuesto, las arcillas resultan fundamentales en cuanto al potencial expansivo del suelo. Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes de montmorillonita. b.1) Humedad inicial El elemento “catalizador” del fenómeno de la expansión, es precisamente, la variación en el contenido de humedad del suelo. 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 variaciones en el contenido de humedad del suelo de sólo 1 o 2 puntos porcentuales, para causar hinchamientos y producir daños estructurales.
8
El contenido de humedad inicial del suelo controla la magnitud del asentamiento. Arcilla “secas”, con contenido de humedad por debajo del 15 % indican un riesgo de expansión alto, pues fácilmente puede llegar absorber contenidos de humedad de 35 % con los consecuentes daños estructurales. Por el contrario, 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. c.1) Peso específico seco del suelo: Muy relacionada con la humedad inicial, el peso específico seco del suelo es otra variable fundamental en el proceso expansivo del suelo. La densidad seca de una arcilla se ve reflejada en valores altos en los resultados en el ensayo de penetración estándar. Valores de "N" inferiores a 15 indican densidades secas bajas y riesgo expansivo bajo, aumentando significativamente estos a medida que aumenta el valor de “N”. d.1) Características plásticas del suelo Como ya fue explicado anteriormente las propiedades plásticas del suelo juegan un importante papel en el fenómeno expansivo e.1)
Potencia del estrato activo
A través de ensayos de laboratorio sobre muestras de un mismo suelo, compactadas al mismo grado densidad y humedad inicial, se ha estudiado el efecto del espesor del estrato en la magnitud total del hinchamiento. Los resultados mostraron que la magnitud del cambio volumétrico experimentado es proporcional al espesor del estrato, mientras que la presión de expansión se mantiene constante. Esto nos estaría indicando que si una estructura es capaz de trasmitir una presión uniforme y constante a profundidades importantes debajo de la fundación se podría contrarrestar el fenómeno de cambio volumétrico. Pero como sabemos esto no es posible, ya que, a medida que aumentamos la profundidad, la presión trasmitida por la zapata de fundación disminuye y por lo tanto no constituye un método efectivo para el control de la expansión. f.1) Fatiga de la expansión En muestras sometidas en laboratorio a ciclos de saturación y disecado mostraron señales de fatiga después de varios ciclos. Este fenómeno no ha sido todavía suficientemente investigado.
9
Se ha notado en pavimentos sometidos a variaciones estacionales en el contenido de humedad del mismo que tienden 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.
4) PROBLEMAS PRESENTADOS POR LOS SUELOS EXPANSIVOS: Los problemas que genera según la morfología del terreno, los materiales que lo constituyen y la intervención humana, son factores que influyen directamente en las inundaciones; La topografía condiciona directamente la velocidad de flujo del agua, que es de una gran importancia puesto que pueden llegar a ser altamente destructivas. La intervención humana, por su parte, es posiblemente, el factor que más influye en las inundaciones, en especial porque agrava las consecuencias del propio fenómeno. La deforestación, la urbanización de extensas áreas de terreno, aumentan el caudal en las calles y, por tanto, el riesgo de inundación aguas abajo. Con la disminución de la capacidad de infiltración del suelo, aumenta el caudal de descarga, disminuye el tiempo de concentración de las aguas y reduce el tiempo de respuesta. Con la disminución de la capacidad de infiltración del suelo, aumenta el caudal de descarga, disminuye el tiempo de concentración de las aguas y reduce el tiempo de respuesta.
10
5) PROPUESTA DE SOLUCIONES DE LOS SUELOS EXPANSIVOS: a) pre-humectación del suelo: La teoría de pre-humectar el suelo antes de la construcción está basada en el hecho de que si al suelo se le permite que se expanda antes de la construcción y si luego la humedad del suelo es mantenida, no es de esperar cambios volumétricos y por lo tanto no es esperable daños sobre la estructura. La experiencia indica que en las áreas cubiertas por una losa, contra piso, pavimento, etc., el contenido de humedad del suelo rara vez decrece. Si uno inunda el suelo, una vez que el suelo se hinche hasta su máximo potencial, la migración del contenido de humedad hacia la parte de suelo subyacente que se encuentra menos húmeda induce nuevas expansiones del suelo diferidas en el tiempo. Este proceso puede continuar durante cerca de 10 años.
11
El tiempo requerido para lograr una adecuada humectación del suelo, aunque no sea necesario llegar a la saturación, es de al menos uno o dos meses, lo que puede ser considerado como demasiado largo. Además es muy cuestionable el hecho de que se obtenga una variación uniforme en el contenido de humedad del suelo en las áreas prehumectadas. Los suelos arcillosos, que son los potencialmente expansivos, son muy difíciles de pre-humectar siendo lo más factible que el agua penetre a través de fisuras, etc., no lográndose una humectación pareja del suelo. Este método de inundación previa puede resultar útil para la cimentación mediante losas, construcción de pavimentos, canales, etc., pero no es adecuado para cimentaciones aisladas (tipo patín). La razón es que el pre-humectar el suelo conlleva a reducir en una forma muy significativa los parámetros resistentes del suelo, lo que lo hace inadecuado para el apoyo de cimientos aislados.
b) C o n t rol de humedad : El suelo debe ser excavado a la misma profundidad que el peso del suelo contrarreste el levantamiento del mismo, se pondrá un material plástico sobre toda la superficie de la excavación. La humedad alojada a una profundidad igual al cambio de volumen es controlada por el peso del material sobre puesto y el peso de la construcción. La humedad superficial podrá controlarse por medio de una capa de arena graduada de 0.30 a 1 m o tal vez un poco más gruesa que permita el flujo de agua en forma capilar, y mantendrá una uniformidad del contenido de agua en la arcilla.
12
Si bien es relativamente sencillo sacar el agua libre que se ha introducido en la obra para la construcción de una fundación, realizando los drenajes adecuados ya sean superficiales o subterráneos a tales efectos, pero sin embargo no es tan sencillo el impedir la migración de la humedad desde el exterior de un local hacia el interior de un área cubierta. Para impedir la infiltración de aguas superficiales se puede disponer de: Barreras horizontales contra la humectación del suelo alrededor de la construcción a través de: membranas, construcción de veredas perimetrales, pavimentos asfálticos, drenaje adecuado. Barreras verticales alrededor de la construcción para impedir las variaciones estacionales en el contenido de humedad del suelo también mediante el uso de membranas, hormigón, etc. Las barreras verticales usualmente están unidas a una horizontal para prevenir la humectación del suelo entre la barrera vertical y la construcción, ya que las barreras verticales deben construirse al menos 70 a 100 cm alejadas del perímetro de la construcción. Si bien las barreras verticales son más efectivas que las horizontales, las mismas resultan mucho más costosas. Para evitar la variación del contenido de humedad por variación del nivel de agua subterránea la alternativa más adecuada la constituye la construcción de drenajes subterráneos. El proyecto de drenes deberá tener presente el tipo de acuífero de que se trate, si es confinado o no, el caudal de agua que escurre por el mismo, profundidad a la que se instala el dren, capacidad del sistema de drenaje, etc.
c) Sustitución del suelo expansivo: Una alternativa simple de cimentar una losa o un patín en un material expansivo es remplazar el material expansivo por otro que no lo sea. La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyando nuestro cimiento consiste en más de 5 pies (aprox. 1.50 mts) de suelo granular del tipo (SC-SP), que a su vez se apoya en un suelo altamente expansivo no existe riesgo de movimiento en la fundación cuando apoyamos la misma sobre este material granular. El primer requerimiento es, obviamente, que el material no sea expansivo, eso lo cumplen los suelos cuya clasificación varía desde los materiales del tipo GW a los del tipo SC.
13
Los materiales granulares que podemos considerarlos “limpios”, es decir con escasa cantidad de finos, aquellos cuya clasificación de acuerdo al S.U.C.S. varía del tipo GW a SP, tiene una permeabilidad tal que el agua podría llegar hasta los materiales subyacentes arcillosos y expansibles. Desde el punto de vista antes señalado sería preferible que los materiales del relleno sean menos permeables, con cierto contenido de finos (del tipo SM o SC), aunque estos tiene la contra de que los finos de estos materiales pueden a su vez presentar cierto grado de expansión. Uno de los criterios usuales es el planteo de la siguiente condición: Límite líquido
% de Material que pasa el 200
Mayor a 50
15 – 30
Entre 30 a 50
10 – 40
Menor a 30
5 – 50
No es tan fácil que un suelo cumple con las condiciones antes planteadas. En caso de dudas razonables, para poder determinar realmente el potencial expansivo del suelo hay que proceder a las metodologías habituales a tales efectos. Una alternativa para mejorar el potencial expansivo del suelo sería el poder mezclar el material granular con el suelo emplazado en sitio. Si bien dicho método es teóricamente razonable, en la práctica se hace muy dificultoso la mezcla de material granular con arcillas de bajo contenido de humedad. Se necesita maquinaria especial, sobre todo por la dificultad de disgregar los terrones de arcilla a tamaños adecuados, lo que lleva a costos tan caros como otros procedimientos en los que se obtienen mejores resultados como la estabilización con suelo cal o suelo cemento. La principal razón por la cual un relleno artificial de un material seleccionado no es tan efectivo como el apoyar sobre una masa de suelo granular en estado natural, es por la extensión del mismo debajo de la fundación en uno y otro caso. Cuanto mayor sea el área en que efectuamos el reemplazo, más efectivo resulta el relleno.
d) Control de expansión:
14
Permitiendo que el suelo se expanda dentro de las cavidades de la cimentación, los movimientos de una cimentación pueden ser reducidos a un nivel tolerable. Un tipo de cimentación comúnmente usado es el llamado “waffle”, denominado en el sistema de E.E.U.U., nosotros lo conocemos como losa de cimentación con contra trabes, donde las contra trabes soportan la construcción y las cavidades permiten la expansión del suelo.
e) Modificación de propiedades expansivas del suelo: La Estabilización por Inyección es un método in situ de tratamiento de arcillas expansivas por inyección de presión de una solución acuosa de agua, lechada de cal, o cloruro de potasio. Las profundidades típicas de inyección son de 7 a 12 pies de profundidad bajo cimientos de construcción y de hasta 40 pies de profundidad o más bajo subsuelos de vías férreas y rellenos sanitarios.
15
Un sistema de estabilización económico in situ con una historia de 40 años de tratamiento de suelos cohesivos. Los métodos de inyección varían de acuerdo con el tipo de material que está siendo inyectado. Inyección de agua, una técnica pre-inflamiento, es un método de introducir agua en la arcilla expansiva con el fin de inflar la arcilla tanto como sea posible antes de la construcción Se inyecta agua y surfactante (agente activo de la superficie) en la arcilla expansiva para pre-inflar la arcilla. Cada “pase” de inyección es realizado en centros de 5 pies. Se requieren varios pases para pre-inflar efectivamente un sitio. El pre-inflamiento se usa típicamente para grandes construcciones (50K+) y grandes áreas de pavimento. La inyección de área es poco costosa, rápida y fácil de usar. Se agrega un surfactante al agua para reducir la tensión del agua e incrementar el índice de absorción del agua por la arcilla.
16
a.1) Metodología Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva. A medida que se agrega agua a la arcilla por medio del proceso de inyección, esta es absorbida por las partículas de la arcilla debido a la presencia de iones hidratantes localizados en el espaciamiento entre las partículas de arcilla. Eventualmente, la arcilla absorberá una cantidad de agua que satisfaga la carga de partículas de la arcilla, punto en el que el proceso de inflamiento estará completado. Un plano de esfuerzo cortante se desarrolla en las cubiertas exteriores del sistema de arcilla/agua que corresponde a una reducción total en la fuerza de corte de la arcilla. Por esta razón, las mediciones de fuerza de corte, como aquellas obtenidas con un penetró metro de bolsillo, pueden ser una manera rápida y efectiva para determinar el éxito de la inyección. La Inyección de Cal es la inyección de lechada de cal a altas presiones (50 a 200 psi) resultando en una cobertura del patrón de desecación de la arcilla con lechada. Adicionalmente, la superficie del relleno de construcción será cubierta con la lechada de cal como resultado del proceso. Este material es mezclado con el suelo para formar una plataforma de trabajo después de la inyección.
17
La inyección de cal usualmente es seguida por la inyección de agua para pre-inflar la arcilla y distribuir después la cal en el suelo. La cal es inyectada para llenar el patrón de desecación de la arcilla expansiva con lechada y estabilizar la superficie del relleno para facilidad de operación. La inyección de cal se usa para rellenos de construcción, así como para calles, estacionamientos y carreteras.
b.1)
Metodología:
Cuando el hidróxido de calcio está en contacto con la superficie de arcilla en el patrón de desecación del suelo, este reacciona con la sílice y alúmina en la arcilla para formar hidratos de sílice de calcio y alúminas de sílice de calcio. Estos compuestos cementosos representan nuevas moléculas y no son expansivas. La Inyección de Cloruro de Potasio (CIS) es la mezcla junto con el cloruro de potasio y lignosulfonato de amoníaco en una solución acuosa que es inyectada para limitar enormemente la elevación futura de un suelo de arcilla expansiva. A diferencia del pre-inflamiento, la inyección de potasio limita la cantidad de agua que absorbe la arcilla. Por esta razón, la inyección de potasio también es un método para contener la elevación que ocurre en estructuras existentes. Usualmente, la inyección de potasio está limitada para usarse en estructuras existentes, así como en aquellas que son altamente sensibles al movimiento, tales como las residencias.
18
Es mezclado con lignosulfonato de amoníaco e inyectado en arcillas expansivas para tratar químicamente la arcilla y reducir dramáticamente su afinidad por el agua. Usualmente es inyectado antes de la construcción de estructuras altamente sensibles, así como a través de los pisos de estructuras existentes para reducir la elevación en curso.
c.1) Metodología Diversas condiciones se combinan para hacer de la inyección de agua una técnica efectiva. La cantidad de agua que absorbe la arcilla se dicta por el ion predominante localizado en el espaciamiento entre las partículas de arcilla. Al cambiar el ion predominante, el comportamiento del sistema de arcilla/agua puede ser alterado. El potasio y el amoníaco son iones que pueden satisfacer la energía potencial de las partículas de arcilla y no tienen una hidratación excesiva. La Inyección de Cal/Ceniza Suelta es la mezcla de cal y ceniza suelta en una lechada y su inyección en suelos de poca fuerza para mejorar la capacidad de soporte y transitabilidad. En suelos menos reactivos, también se usa Geocem para mejorar la fortaleza del suelo.
19
Geocem es una mezcla de 80% de piedra caliza de base fina y 20% de clínker de cemento Portland. Estos dos materiales son inyectados para mejorar las condiciones debajo de los subsuelos de las vías férreas, pavimentos y rellenos sanitarios. Se usa para tratar arcillas y cienos de menor fortaleza para mejorar la capacidad de soporte disminuyendo el contenido de humedad e incrementando la densidad seca y la fortaleza de corte. Se usa para tratar problemas de subsuelos de vías férreas en rellenos altos. También se usa para mejorar las condiciones de subsuelos en estructuras de pavimento tales como carreteras y puentes. d.1) Metodología: Cuando la cal/ceniza suelta es inyectada en una arcilla o cieno de baja fortaleza, esta desplaza el agua que está atrapada en el suelo. Después, el material reaccionará químicamente con el suelo, resultando en mayores incrementos en la fuerza de corte. Al inyectar cal/ceniza suelta o Geocem, es posible disminuir el contenido de humedad del suelo y mejorar la densidad seca, lo que contribuirá con la fortaleza de corte.
Estabilización con cal por método de perforaciones Esta técnica consiste básicamente en perforar huecos en la subrasante y llenarlos con una lechada de cal o una mezcla de cal y arena. Una vez se llenan los huecos, la cal emigra o se difunde en el estrato de suelo iniciándose las reacciones suelo-cal. La experiencia ha demostrado que las reacciones se producen en la periferia del hueco y en el fondo del mismo, pero se logra una reducción en el potencial expansivo debido al efecto de prehumedecimiento y a la liberación de esfuerzos alrededor de la perforación. Lechadas de cal inyectadas a presión Con el objeto de lograr una mayor distribución de la cal en las subrasantes expansivas, se ha desarrollado la técnica de inyecciones a presión. La técnica consiste en inyectar las lechadas con cal a presiones del orden de 14.0 Kg/cm2r dependiendo de las condiciones del suelo la tubería de inyección se penetra en éste, aproximadamente, 30 cm y la lechada se prepara con 1 a 5 kg de cal por galón de agua, la inyección se hace hasta que el suelo rechace la lechada.
20
La experiencia ha demostrado que con este sistema se logran buenos resultados si el suelo expansivo tiene un extenso sistema de fisuras y grietas a través del cual la lechada pueda ser inyectada eficientemente. El mayor beneficio de este tipo de tratamiento se obtiene también por el pre-humedecimiento producido, la barrera de humedad formada por el suelo cal y a las limitadas cantidades del suelo que ha reaccionado produciéndose la estabilización.
Estabilización con cal por el Método Deep-plow La técnica consiste en remover un espesor aproximado de un pie antes de regar la cal, posteriormente se riega la cal necesaria para la estabilización, se mezcla la cal con el suelo con tres pasadas del plow hasta una profundidad de dos pies, se esparce agua sobre la mezcla seca en la vía, se hace un mezclado final con un ripper profundo, se efectúa una compactación inicial del espesor de dos pies del material estabilizado en una sola capa, utilizando un equipo de compactación pata de cabra o un rodillo pata de cabra vibratorio, la compactación final se efectúa utilizando 6 pasadas con un rodillo de 70 toneladas de peso. Esta técnica permite estabilizar con cal y compactar en forma adecuada espesores de 60 a 90 cm. Experiencias sobre la utilización de este método indican que se logran densidades superiores al 95% del AASHTO-99 y que la distribución de la cal es homogénea en los primeros 40 cm y menos en los restantes 20 cm.
f) Columnas de grava o arena
Vibrosustitución (Vibroflotación por vía húmeda)
21
Este procedimiento es aplicable en el caso de suelos blando cohesivos en los que las paredes laterales del hueco practicado por el vibrador no resultarían auto-estables, o en el caso de que el nivel freático de encuentre alto y sea preciso penetrar bajo él. El rango habitual de resistencias al corte sin drenaje del terreno para que este tipo de tratamiento sea aplicable oscila entre 20 y 50 kPa, llegando ocasionalmente a 15 KPa. El vibrador penetra en el suelo por efecto de su peso propio y la vibración, ayudando por unas lanzas de agua situada en la punta y en la parte superior del aparato. El flujo continuo de agua facilita el mantenimiento de la estabilidad del hueco practicado en el suelo y el arrastre y evacuación del detritus generado. Adicionalmente el agua permite refrigerar el motor, lo que puede ser un factor relevante en el caso de motores eléctricos.
Vibrodesplazamiento (Vibroflotación por vía seca)
Cuando los suelos (cohesivos) a tratar son estables, no sensitivos, y cuando el nivel freático se encuentra suficientemente bajo, se puede emplear este método para la formación de columnas de grava compactada. La ventaja fundamental de este procedimiento con respecto al de vía húmeda deriva de que el empleo de las lanzas de agua para ayudar en la penetración y estabilización del agujero practicado no es necesario. Para ello es preciso lógicamente que el hueco abierto con el vibrador sea auto-estable, lo que a su vez obliga a contar con una suficiente resistencia al corte sin drenaje del suelo natural, que ha de sustituirse al menos entre 30 y 60 kPa. En este mismo sentido, el nivel freático ha
22
de encontrarse suficientemente profundo, por debajo de la máxima profundidad de tratamiento.
Empleo de vibroflotadores especiales: Con el fin de paliar los inconvenientes asociados al empleo de grandes cantidades de agua, varias empresas especializadas han desarrollado vibroflotadores especiales con los que se pueden ejecutar columnas por vía seca (o con muy poca adición de agua) en terrenos muy blandos, no auto-estables, o en zonas de nivel freático elevado. que distingue a este tipo de vibroflotadores especiales es el hecho de poder efectuar el vertido de la grava directamente por la punta del aparato, bien sea a través de un hueco central en el mismo, bien a través de un tubo adicional abosado lateralmente al vibroflotador. El proceso a seguir es análogo al vibrodesplazamiento. Así, el vibrador penetra en el terreno por su propio peso, ayudando por la vibración y por lanzas de aire comprimido situadas en la punta. El mismo vibrador, que no se retira, sirve de revestimiento de la perforación, con lo que el hueco practicado se puede mantener estable.
23
Otros procedimientos Si bien las técnicas específicas de Vibroflotación hacen uso de vibradores o vibroflotadores especiales, obviamente es posible construir columnas de grava (o de arena) mediante otros procedimientos más o menos convencionales. Resulta interesante destacar en cualquier caso que en Japón se ha desarrollado y empleado con enorme profusión el procedimiento basado en la hinca de una tubería mediante un vibrador pesado en cabeza. En este caso el relleno por el interior del tubo se efectúa empleando arena en lugar de grava, que se densifica y se imbrica con el terreno natural mediante sucesivos descensos y elevaciones de la tubería de revestimiento manteniendo la vibración.
g) Fundaciones superficiales en suelos expansivos:
24
Las cimentaciones superficiales son aquellas que se apoyan en las capas superficiales o poco profundas del suelo, por tener éste suficiente capacidad portante o por tratarse de construcciones de importancia secundaria y relativamente livianas. En resumen las Cimentaciones Superficiales reparten la fuerza que le transmite la estructura a través de sus elementos de apoyo sobre una superficie de terreno bastante grande que admite esas cargas. Se considera cimentación superficial cuando tienen entre 0,50 m. y 4 m. de profundidad, y cuando las tensiones admisibles de las diferentes capas del terreno que se hallan hasta esa cota permiten apoyar el edificio en forma directa sin provocar asientos excesivos de la estructura que puedan afectar la funcionalidad de la estructura; de no ser así, se harán Cimentaciones Profunda. Esta clase de fundaciones, más comúnmente denominadas como zapatas o patines, pueden ser implementadas con éxito sobre subsuelos conformados por materiales expansivos, siempre que se cumpla al menos uno de los siguientes requisitos: La presión aplicada, debido a las cargas permanentes, resulte suficiente como para contrarrestar la presión de expansión. La superestructura tenga el grado de rigidez necesario como para que una expansión diferencial no cause fisuras o grietas en los elementos resistentes. El efecto expansivo pueda ser eliminado o al menos reducido de manera de evitar o mitigar los desórdenes (ya sean éstos de carácter resistente, funcional o ambos
a.1)
Zapatas corridas
Como se sabe, es la tipología más común de fundación superficial para estructuras livianas. Es claro, en consecuencia, que para prevenir el efecto de la expansión se vuelve necesario concentrar la presión aplicada, lo que deriva en minimizar el ancho de la zapata. Por lo tanto el uso de zapatas corridas debería limitarse a suelos de bajo grado de expansión, por ejemplo en general inferior al 1%, medido en el ensayo de expansión libre. Sin embargo, el uso de fundaciones alternativas, al caso pilotes, puede ser antieconómico y por ello en muchas situaciones se aceptan daños menores (como fisuras en paredes y techos), cuyos costos de
25
reparación resultan inferiores a los de un sistema de fundación diferente. Una variante, cuando no es factible cambiar el sistema de fundación, es implantar las zapatas a profundidades mayores, esto es a salvo de la capa de suelo donde las variaciones en el contenido de humedad son mayores (al menos 1,50 a 2,00 m por debajo del nivel del terreno natural). Esta ubicación reduce y limita además los desplazamientos diferenciales. En general, se sugiere a las zapatas corridas como una alternativa en principio válida cuando: El subsuelo no es altamente expansivo (básicamente illita en vez de montmorillonita) Es poco probable que se verifique un ascenso del nivel freático. No hay disponibilidad de fundar con pilotes. La superestructura está conformada por madera. Una variante a veces empleada es la fundación en “cajón”, esto es una estructura de hormigón fuertemente armada, cuya altura media es del orden de 2,00 m. Es notorio que este tipo de fundación protege a la estructura de eventuales fisuraciones derivadas de expansiones diferenciales. En estos casos, no deben existir discontinuidades a nivel de la superestructura, que introduzcan puntos débiles. En especial, en estructuras complejas, se sugiere agregar juntas para separarlas en dos o más módulos. Cada módulo actuará entonces en forma independiente y los desplazamientos diferenciales podrán absorberse en las juntas.
b.1) Zapatas aisladas:
26
Como es sabido, este sistema consiste en una serie de zapatas apoyadas sobre las capas superiores del subsuelo, conectadas entre sí por vigas de fundación. Como en el caso de las fundaciones indirectas o profundas, la carga de la estructura es trasmitida al suelo en forma concentrada en diferentes puntos; la diferencia es que naturalmente en este caso la descarga se realiza en las capas superiores del terreno y no se involucra la resistencia lateral por fricción. El uso de este sistema puede ser ventajoso cuando: El techo de roca o el estrato resistente es profundo y no puede ser económicamente alcanzado por pilotes. Las capas superiores del suelo poseen un potencial expansivo moderado. La capacidad portante de las capas superiores es relativamente alta. Existe nivel freático o capas blandas que impiden el uso de pilotes trabajando por fricción. En el caso de un suelo expansivo, si la presión aplicada es mayor que la presión de expansión (para cambio de volumen nulo) no deberían observarse desplazamientos debidos a esta causa. En general puede decirse que la magnitud de la presión aplicada está limitada por la capacidad portante del suelo de fundación y es función del coeficiente de seguridad adoptado (usualmente entre 2 y 3). Por lo tanto, considerando los valores habituales de tensiones admisibles para suelos arcillosos de Formación Libertad (1,0 a 2.0 kg/cm2), este sistema de fundación sólo podrá aplicarse en suelos con potenciales expansivos medios (1 a 5% de expansión libre y presión de expansión en el rango de 1 a 2 kg/cm2). Para permitir en estos casos la concentración de tensiones aplicadas en las zapatas individuales se requiere descalzar las vigas de fundación, esto es dejar un espacio vacío bajo éstas. De todas formas, algunos investigadores como Peck entre otros, han señalado además que la expansión del suelo sólo se puede impedir en una zona localizada bajo la zapata donde se concentran las tensiones inducidas por la fundación.
27
6) CASOS CIMENTACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS EN EL PERU:
DE
Todos los suelos arcillosos se contraen durante el secado y se expanden cuando son humedecidos, sin embargo los mayores problemas por cambio de volumen son causados por suelos que tienen un cantidad significativa de montmorillonita que normalmente exhiben limites líquidos superiores al 50%, alto contenido de coloides e índice de plasticidad elevados. Extensas áreas del norte de nuestro país están conformadas por suelos arcillosos de alto poder expansivo, lo que ha dado lugar al desarrollo del estudio de estos suelos en los últimos tiempos, principalmente en zonas que comprometen áreas de expansión urbana y donde ha sido necesario construir caminos, aeropuertos, proyectos de irrigación y edificaciones de todo tipo, esencialmente livianas y de bajo costos.
28
GRADO DE EXPANSION EN ARCILLAS PERUANAS
% QUE PASA MALLA #
INDICE DE
EXPANSION LIBRE
GRADO DE
PLASTICIDAD
PROBABLE (%)
EXPANSION
29
Mayor de 90
80 – 60
mayor de 50
MUY BAJO
Mayor de 85
25 – 30
20 – 40
ALTO
Mayor de 80
18 – 30
15 – 18
Mayor de 70
15 – 20
mayor de 10
MEDIO BAJO
7) IDENTIFICACION DE LOS SUELOS EXPANSIVOS: a) Identificación visual: Los suelos expansivos se pueden identificar visualmente por varias características:
De su existencia son solo problemas en zonas arcillosas. Tiene alta plasticidad. Se fundan en zonas costeras, como en el norte del país. Si observamos el terreno encontraremos grietas o rajaduras, esto se debe al fenómeno de palpitación que sufre la superficie de estos suelos cuando varía la humedad. b) Identificación por su mineralogía: Existen varios métodos para la identificación mineralógica y las más utilizadas y recomendadas son: La difracción de rayos X. El análisis termino diferencial.
La absorción de tinte, los análisis químicos. La microscopia electrónica. Los tres grupos más importantes en que se clasifican los minerales arcillosos son: illita, caolinita y montmoríllonita, compuestos por hidroaluminosilicatos. Los ensayos mineralógicos tiene a detectar la presencia de montmoríllonita, que es el mineral preponderantemente expansivo. La presencia de cargas eléctricas negativas en la superficie de los minerales arcillosos, así como la capacidad de intercambio catiónico resultan fundamentales para la magnitud de la expansión. La presencia de cargas eléctricas negativas en la superficie de los minerales arcillosos, así como la capacidad de intercambio catiónico resultan fundamentales para la magnitud de la expansión.
30
Identificación por Métodos Indirectos: Este tipo de identificación se basa en los ensayos : de Límite de Atterberg la contracción lineal el contenido coloidal cambio de volumen potencial (PVC), etc. A continuación mostramos los más conocidos:
Tabla : Relación entre el potencial de hinchamiento y el índice de plasticidad – Seed, Woodward y Ludgren, 1962
Tabla 2: Potencial expansivo, Altemeyer, 1965
31
Identificación por Métodos Directos: 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:
32
Presión de hinchamiento (PS) 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. Hinchamiento libre (Hc) definido como el % de la elevación máxima para presión nula en relación a la longitud inicial de la 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 han propuestos innumerables metodologías experimentales que siguen operativas distintas, cuando no opuestas. Las principales divergencias radican en: Forma de simular las condiciones de 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 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 y que la predicción del comportamiento resulte fuertemente influenciada por aquellas variables, más precisamente, por el camino de tensiones seguido y por el criterio de saturación utilizado. Por lo expuesto la definición de hinchamiento no es tan simple como la definida con anterioridad, ya que está supeditada al procedimiento experimental utilizado para su cuantificación. 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.), no disponibles en los laboratorios de uso común en ingeniería.
c.1) Método de Laboratorio:
33
Ensayo de Expansión o Asentamiento Unidimensional de Suelos Cohesivos: (Esta basado en las Normas Técnicas ASTM D4546.) determina el hinchamiento unidimensional o potencial Ensayo de Expansión o Método de Índice de Expansión: Basado en las Normas Técnicas ASTM D4829.
34
35
II. SUELOS DISPERSIVOS 1. MARCO TEORICO: Son aquellos suelos que por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en ellos, son susceptibles a la separación de las partículas individuales y a la posterior erosión a través de grietas en el suelo bajo la infiltración de agua. Son suelos altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos de flujo de agua, incluso en algunos casos con el agua en reposo. Esta propiedad caracteriza a los suelos con contenido de sales solubles. El agua es el agente que produce éste fenómeno al disolver las sales y forma escamas de suelo que se dispersan lámina tras lámina. Al final el suelo se diluye originando espacios vacíos provocando el hundimiento de la superficie. Éste fenómeno es propio de las zonas con las arenas arcillosas solubles.
2. ARCILLAS DISPERSIVAS Los suelos dispersivos son esencialmente arcillosos, estos suelos se han considerado muy resistentes a la erosión debida a flujos de agua, sin embargo, se reconoce la existencia de suelos arcillosos altamente erosionables en la naturaleza. Algunos suelos de arcilla natural se dispersan en presencia de un flujo de agua relativamente puro, y por tanto, son altamente susceptibles a la erosión o tubificación bajo el flujo del agua. Son suelos en que el estado físico-químico de su fracción arcillosa es tal que en presencia del agua relativamente pura las partículas individuales de arcilla se de floculan y se rechazan entre sí. La tendencia a la erosión por dispersión en un suelo dado, depende de variables tales como la mineralogía y la química de la arcilla, así como las sales disueltas en el agua en los poros del suelo y en el flujo de agua erosionable. Tal flujo es de lento movimiento y erosiona rápidamente las arcillas, incluso más rápido en comparación con suelos no cohesivos, arenas finas y limos. Las placas de arcilla individuales son separadas y arrastradas por el flujo de agua. Esta erosión puede comenzar en una grieta seca, una hendidura por
36
asentamiento, una fractura hidráulica u otro canal de alta permeabilidad en una masa de suelo.
3. CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS DISPERSIVOS Estas arcillas erosionan rápidamente en presencia del agua cuando las fuerzas repulsivas que actúan entre las partículas de arcilla exceden a las fuerzas de atracción (Van der Waals) de tal forma que las partículas son progresivamente separadas desde la superficie entrando a una suspensión coloidal. Por esta razón estas arcillas son llamados arcillas “defloculadas”, “dispersivas” o “erodibles”. Las arcillas dispersivas pueden ser de color rojizo, café, gris, amarillo o una combinación de estos colores. Los suelos dispersivos son derivados de rocas con bajo calcio y magnesio pero con un alto contenido de sodio como la albita y la anfibolita. 4. TIPOS DE EROSION La mayoría de los estudios documentados, ha demostrado que las fallas de las estructuras construidas sobre suelos dispersivos, están asociados con la presencia de agua y de grietas generadas por las deficiencias de la contracción de la base de la presa, los asentamientos diferenciales o la construcción como tal. Estos fracasos enfatizan la importancia del reconocimiento temprano y la identificación de los suelos arcillosos de dispersión, de lo contrario, los problemas que causan pueden resultar en fallas repentinas, irreversibles y hasta catastróficas. 4.1. TUBIFICACION Este fenómeno se presenta cuando las fuerzas resistentes a la erosión son menores que las fuerzas del flujo de agua que tiende a producirla de manera que las partículas son removidas y transportadas por la corriente. Este problema se puede iniciar en cualquier grieta (por pequeña que esta sea) producto de asentamientos diferenciales, sismos o grietas de tensión, incluso a partir de
37
orificios dejados por raíces o troncos podridos. La falla puede suceder desde el primer llenado o después de algún (o mucho) tiempo de haber sido finalizado la construcción. Para que esta falla se produzca es inevitable que una grieta deba estar presente desde el inicio.
4.1.1. TUBIFICACION RETROGRADA Se puede producir prácticamente en todo los suelos, desde aguas abajo hasta aguas arriba, siguiendo preferentemente el camino de las líneas de filtración .el conducto se forma por las zonas geológicamente más débiles, por planos de estratificación permeable, o en cualquier otra zona de concentración de flujo donde la energía llegue sin sufrir pérdidas significativas debida a la fricción.
Fenómeno de tubificación en pequeñas presas de tierra 4.1.2. FRACTURA HIDRAULICA Consiste en infiltración brusca del agua a través de las grietas de los terraplenes, bajo los efectos de la carga hidráulica, ejerciendo sub- presiones y presiones en todas las direcciones.
38
Tubificación hidráulica 4.1.3. POZOS O SUMIDEROS La morfología de los túneles, que al inicio son verticales y luego se desarrollan horizontalmente, sugiere la forma de jarras. Estos se producen por el agua de lluvia penetra (y erosiona) por pequeñas fisuras abiertas por contracción o raíces de plantas.
4.2.
EROSION POR LLUVIA La erosión laminar o de la superficie por lluvia en suelos cohesivos a menudo ocurre junto a la erosión por dispersividad. El slaking; también puede ser un factor de erosión interna y por esto, es necesario nombrar otros tipos de erosión tales como: erosión en surcos, erosión en cárcavas. 4.2.1. EROSION EN SURCOS Ocurre cuando el flujo superficial se concentra en pequeñas corrientes sobre una pendiente, generando erosión debida a la concentración de flujo, creando pequeños canales que inicialmente son imperceptibles, pero que se van volviendo cada vez más profundos. Cuando los surcos se hacen más profundos y más anchos se les clasifica como cárcavas. La profundidad de los canales de erosión es menos de 30 cm para denominarse como surco y más de 30 cm como cárcavas. Los surcos se pueden eliminarse y sembrar vegetación.
39
4.2.2.
EROSION POR CARCAVAS
Al profundizarse y ampliarse los surcos de erosión, estos se convierten en cárcavas. El área más susceptibles a erosión en cárcavas son aquellas de topografía de alta pendiente y mantos de suelo de gran espesor y así mismo, las que contengan suelos dispersivos o altamente erosionables.
40
Las cárcavas son muy difíciles de estabilizar y controlar, para su estabilización se debe controlarse tres partes: Erosión en el fondo Erosión lateral o ampliación de la cárcava Erosión en la cabeza o avance hacia arriba de la cárcava
5. IDENTIFICACION
41
5.1.
IDENTIFICACION IN SITU La presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en pequeñas presas. La erosión en grietas de los caminos La erosión tipo túnel a lo largo de las quebradas o las arcillas unidas en roca. La presencia de agua nublada en presas pequeñas y charcos de agua luego de la lluvia. 6. EJEMPLOS DE SUELOS DISPERSIVOS
Fig. 1: Se aprecia la erosión causada por las arcillas dispersivas. La zona se encuentra cerca de una laguna en Orlando. (Florida – USA)
42
Fig. 2: Ejemplo de falla por tubificación en una Presa debido a la presencia de Suelos Dispersivos (Soil Conservation Service of NSW).
Fig. 3: Erosión Profunda de tubificación en Suelos Dispersivos (Soil Conservation Service of NSW). 7. ENSAYOS 7.1. ENSAYOS FISICOS 7.1.1. ENSAYO DE CRUMB: El ensayo de Emerson Crumb (Emerson, 1967) fue desarrollado como un procedimiento simple para identificar el comportamiento dispersivo en campo,
43
pero ahora es muy frecuentemente usado en el laboratorio. En la Figura se observa el ensayo de Crumb desarrollado en el laboratorio. El
ensayo
de
Crumb
entrega
una
buena
indicación
del
potencial
de
erosionabilidad de los suelos de arcilla; sin embargo un suelo dispersivo puede a veces dar una reacción no dispersiva en el ensayo de Crumb. Si el ensayo de Crumb señala dispersión, lo más probable es que el suelo sea dispersivo. El ensayo consiste en preparar un especímen cúbico de 15 mm de lado o eligiendo un suelo Crumb secado al aire de igual volumen (sería preferible usar un
suelo
Crumb
con
su
humedad
natural).
El
especímen
es
colocado
cuidadosamente en alrededor de 250 ml de agua destilada. Mientras el suelo Crumb se comienza a hidratar, se observa la tendencia de las partículas coloidales para deflocularse y entrar en suspensión. La tendencia para que las partículas de arcilla entren en suspensión coloidal es observada después de 5-10 minutos de inmersión, usando la siguiente guía de interpretación: GRADO 1: Ninguna reacción: El desmenuzado puede desmoronarse y esparcirse en el fondo del cubilete en amontonamiento plano, sin ningún signo de agua nublada causada por coloidales en suspensión. GRADO 2: Reacción ligera: Simple insinuación de nubosidad en agua en la superficie del Crumb (si la nubosidad es fácilmente visible, use el grado 3). GRADO 3: Reacción moderada: Nubosidad de coloides fácilmente reconocible en suspensión. Usualmente diseminado en trazas delgadas en el fondo del cubilete. GRADO 4: Reacción fuerte: Nubosidad coloidal cubre casi la totalidad del fondo del cubilete, usualmente en una superficie muy delgada. En casos extremos toda el agua en el cubilete se vuelve nubosa.
44
7.1.2.
TEST DE PINHOLE
La clasificación de dispersión de Pinhole, conocido también como Ensayo de Pinhole, o Ensayo de Pinhole Sherard (Norma de la Asociación de Australia, 1980). Ensayo desarrollado por Sherard (1976). Un orificio de 1.0mm de diámetro es perforado en el suelo a ser ensayado y a través de agujero se pasa agua bajo diferentes cargas y duraciones variables. El suelo es tamizado a través del tamiz de 2.36 mm y compactado aproximadamente en el límite plástico a una proporción de densidad del 95%. Las condiciones a simular en el ensayo son las de un terraplén con una fisura en el suelo.
45
7.1.3.
ENSAYO DEL DOBLE HIDROMETRO
El ensayo del Servicio de Conservación del Suelo de EEUU, también conocido como Ensayo del Doble Hidrómetro, o el Ensayo de Dispersión en Porcentaje (Norma de la Asociación de Australia, 1980). Este ensayo implica dos ensayos del hidrómetro en suelos tamizados a través de la malla de 2.36 mm. Los ensayos del hidrómetro son conducidos con y sin dispersante. La dispersión en porcentaje es:
P X 100 Q Donde: P = porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo sin dispersante. Q = porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo con dispersante.
46
La distribución del tamaño de partículas es determinada empleando primero el Ensayo Estándar del Hidrómetro en el que el espécimen del suelo es dispersado en agua destilada con una fuerte agitación mecánica y con un dispersante químico. Un ensayo paralelo al hidrómetro es realizado después en un espécimen duplicado, pero sin agitación mecánica y sin dispersante químico. El “porcentaje de dispersión” es la relación de transformación de las partículas de 0.005 mm de diámetro del segundo ensayo al primero, expresado en porcentaje. El criterio para la evaluación del grado de dispersión usando los resultados del ensayo del Doble Hidrómetro es: Porcentaje de Dispersión <30 30 a 50 >50 7.2.
Grado de Dispersión No dispersivo Intermedio Dispersivo
ENSAYOS QUIMICOS Estos ensayos analizan la composición química del agua de poros de una muestra de suelo para determinar el grado de dispersividad, entre estos tenemos:
47
7.2.1.
PROPORCION DE ABSORCION DE SODIO (RAS):
El RAS es otro parámetro que se evalúa comúnmente para cuantificar la importancia que tiene el sodio en relación a la dispersión cuando los sales libres están presentes, es un parámetro que refleja la posible influencia del Ion sodio sobre las propiedades del suelo. Se basa en una fórmula empírica que relaciona los contenidos de sodio, calcio y magnesio y que expresa el porcentaje de sodio de cambio en el suelo en situación de equilibrio, el RAS se define como:
RAS=
√
Na Ca+ Mg 2
Con unidades de meq/litro, donde Na, Ca y Mg son sodio, calcio y magnesio respectivamente. El método de RAS está basado en el hecho de que los suelos naturales se encuentran en equilibrio con su entorno; en particular, existe una relación entre concentración de electrolitos del agua contenida en los poros de suelo e iones intercambiables en la capa absorbida de arcilla. En consecuencia, el método es aplicable sólo cuando se disponen sales libres en el suelo. 7.2.2.
PORCENTAJE INTERCAMBIABLE DE SODIO (PSI):
Considerando desde el punto de vista químico que la presencia de sodio intercambiable contribuye significativamente al comportamiento dispersivo de las arcillas. El parámetro básico para cuantificar este efecto es el PSI (por sus siglas, porcentaje de sodio intercambiable) donde:
PSI=
Sodio Intercambiable x 100 Capacidad de Cation Intercambiable
Las dos cantidades están en unidades de mili equivalentes por 100 mg de suelo seco. Las arcillas que tienen un valor de PSI mayor que 10 se consideran dispersivas. 8. MEJORAMIENTO DE SUELOS DISPERSIVOS
48
Los suelos dispersivos pueden mejorarse si se mezclan con cal. Sin embargo, factores económicos en ocasiones no justifican tal mejoramiento para todos los materiales por emplear. En estos casos, se pueden seleccionar zonas críticas del sitio en proyecto para colocar materiales mejorados. Estas zonas son aquéllas en donde se concentra el flujo de agua, tal como alrededor del portal de salida de conductos, superficie de contacto entre la cimentación rocosa y estructuras rígidas, zonas de esfuerzos de tensión y agrietamiento potencial, aguas abajo de un corazón impermeable, o zonas inmediatamente aguas arriba de los filtros que son colocados aguas abajo.
III.
SUELOS COLAPSABLES
49
I.
Definición colapso:
de
Zur y Wisemam (1973) definen como colapso a cualquier disminución rápida de volumen del suelo, producida por el aumento de cualquiera de los siguientes factores (9):
Contenido de humedad (w) Grado de saturación (Sr) Tensión media actuante (τ) Tensión de corte (σ) Presión de poros (u)
FORMACION MICROSCOPICA DE UN SUELO COLAPSABLE
50
II. Características comunes: Reginatto (1977) señala que, en general, los suelos colapsables presentan una serie de características comunes, tales como:
Estructura macroporosa, con índice de huecos (e), entre relativamente alto, a muy alto. Granulometría predominantemente fina, con predominio de fracciones de limos y de arcilla. El tamaño de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos más grandes escasamente meteorizados. La mayoría de las veces, la cantidad de la fracción arcilla es relativamente escasa, pero sin embargo, tiene una influencia importante en el comportamiento mecánico de la estructura intergranular. Estructura mal acomodada, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por acumulaciones o "puentes" de material predominantemente arcilloso. En muchos casos existen cristales de sales solubles insertados en tales puentes o uniones arcillosas. III. TIPOS DE SUELOS COLAPSABLES Los tipos de suelos colapsables son: Suelos aluviales y coluviales – Depositados en ambientes Semi-desérticos. por flujos más o menos torrenciales. Suelos eólicos – Depositados por el viento, son arenas y limos arenosos con escaso cemento arcilloso en una estructura suelta o inestable. Cenizas volcánicas – Provenientes de cenizas arrojadas al aire por actividad volcánica explosiva. Suelos residuales – Derivados de la descomposición in – situ de minerales de ciertas rocas, son luego lixiviados por el agua y pierden su cemento. Reconociendo por lo tanto que el colapso de la estructura del suelo puede producirse por una variedad de procesos diferentes de la saturación. Reginatto (1977) sugiere que, a esta lista de factores puede agregarse la interacción química entre el líquido saturante y la fracción arcillosa. A efectos de definir y diferenciar los distintos tipos de colapso Uriel y Serrano (1973,1974) clasifican a los suelos colapsables o desmoronables en: Grupo I: Suelos en los que tiene lugar un rápido cambio de la relación entre presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia
51
última del material. De acuerdo con esto la causa del colapso es únicamente el cambio de las presiones efectivas. A este grupo pertenecen los limos o arcillas cementadas y las rocas de gran porosidad. Cuando se ensaya a humedad constante, se detecta una notable modificación de su módulo de compresibilidad al alcanzar un cierto valor las presiones efectivas. Grupo II: Suelos en los que, sin la presencia o cambio de las condiciones que producen el colapso, no hay cambio abrupto en la relación presióndeformación. Tal es el caso de los loess y algunas arcillas que contienen sulfatos. Si se ensayan a humedad constante, la relación tensióndeformaciones es una curva suave y continua y sin agudos quiebros. La saturación produce, sin embargo, un importante cambio volumétrico, debido probablemente a un incremento de la presión de los poros que origina el agotamiento de la resistencia al corte del suelo. Suelos colapsables por humedecimiento: Establecida la definición general de colapso, nuestro análisis se centrará en aquellos suelos en los cuales el colapso de la estructura del suelo es provocado por un incremento del contenido de humedad (10). Por lo tanto, en lo sucesivo cuando se hable de suelos colapsables, se entenderá que son aquellos suelos, en que un aumento en el contenido de humedad, provoca una brusca disminución de volumen, sin la necesidad de un aumento en la presión aplicada. A partir de esta definición, se advierte:
Por un lado una destrucción o un cambio en la estructura que el suelo tenía originalmente, y Por el otro lado, un agente externo: el agua, que provoca este fenómeno.
En la Mecánica de Suelos clásica de los suelos saturados o de los suelos secos el fenómeno de colapso generalmente viene asociado a un cambio en el estado tensional del suelo. En cambio aquí, y en una primera definición, estaría provocado por un agente externo (cambio en el contenido de humedad). En el proceso de consolidación de suelos saturados (Teoría clásica de Terzaghi) también se produce una disminución de volumen, pero puede decirse que en muchos aspectos el colapso es lo contrario de la consolidación, tal como se indica en Reginatto (1977) (11). Según el mismo autor, en la magnitud de los colapsos influyen las siguientes causas:
52
a) humedecimiento por rotura de tubería, b) humedecimiento extenso por infiltración de canales, c) elevación uniforme del nivel freático, y d) aumento gradual y lento del contenido de humedad por condensación de vapor por cambio en las condiciones ambientales (pavimentacion superficie del terreno).
MECANISMO DEL COLAPSO A continuación, se analizarán los diferentes mecanismos de colapso para distintas estructuras de suelos, para lo cual se seguirá, principalmente el trabajo de Dudley (1970). Las siguientes condiciones generales son las que establece Dudley para que ocurra el colapso: 1. La estructura del suelo deberá tener ciertas características, de modo tal que se tienda a la ocurrencia de dicho fenómeno. 2. Las partículas estarán unidas entre sí por fuerzas o materiales cementantes que son susceptibles, -tanto unas como otrospueden ser anulados o reducidos cuando aumenta el contenido de humedad del suelo. 3. Cuando este soporte es reducido o anulado, las partículas del suelo deslizan o ruedan, por una pérdida de la resistencia al corte.
53
Los suelos granulares, como las arenas y las gravas, presentan un tipo de estructura simple, también ampliable a los limos. En ella, las uniones entre granos son contactos reales debidos a fuerzas gravitacionales, fuerzas exteriores o capilares. Estas últimas tienen un carácter temporal ya que dependen del grado de saturación que posea el suelo. La humedad del suelo puede variar entre el estado saturado y el seco, del mismo modo las tensiones capilares serán variables con el contenido de humedad y desaparecerán tanto al saturarse, como al secarse el suelo. Capilaridad: fenómeno de ascensión del agua por o capilares o poros del suelo. La cohesión es la atracción entre las moléculas de una misma sustancia, mientras que la adhesión es la atracción entre moléculas de diferentes sustancias. Cuando el suelo se satura, la presión efectiva disminuirá, y con ella la resistencia al corte, pudiendo provocar un deslizamiento relativo entre los granos de suelo.
54
Cuando la estructura es macroporosa, este deslizamiento entre granos se manifiesta en una importante disminución de volumen.
Este tipo de mecanismo de colapso o desmoronamiento puede ampliarse también para aquellas arenas en las que sus vínculos están formados por partículas de limos. Una estructura "estable" puede ser modificada cuando entra en juego un agente externo que desestabiliza y modifica los vínculos que primariamente le conferían una resistencia aparente. Cualquiera sea el tipo de estructura de suelo que se esté considerando, siempre es posible hablar de vínculos o fuerzas que unen o ligan una partícula a otra. En unos casos, las partículas están en contacto directo entre sí (partícula-partícula) unidas por fuerzas externas o capilares, y en otros casos estas tuerzas o vínculos pueden tener carácter fisicoquímico o eléctrico, a incluso no existir contacto directo entre las partículas.
Si la estructura del suelo se encuentra en estado de equilibrio, y un agente externo -cualquiera- provoca una disminución o anulación de las fuerzas que
55
vinculan unas partículas con otras, puede suceder que el suelo pase a un nuevo estado de equilibrio. Este proceso entre dos estados de equilibrio puede provocar o no, un cambio de la estructura del suelo, dependiendo de La magnitud de los cambios provocados en los vínculos y/o fuerzas por el agente externo. Estado tensional existente entre los vínculos Si los cambios provocados por el agente externo en las características de los vínculos, no son suficientes como para movilizar un cambio de estructura, ésta permanecerá inalterada. Sin embargo, la condición de equilibrio puede haber variado, dado que de alguna forma el agente ha "sensibilizado" al suelo.
56
METODOS DE IDENTIFICACIÓN A partir de la década de los años 50, se generó una preocupación manifiesta por parte de diferentes investigadores, en identificar y clasificar la potencialidad al colapso en los distintos suelos. Estos intentos a escala mundial se han enfrentado fundamentalmente con dos inconvenientes o limitaciones, como son: La gran variedad de tipos de suelos que colapsan por humedecimiento: Así, por ejemplo, métodos probados en ciertos países o regiones en determinados tipos de suelos no han podido hacerse extensivos a suelos de otras zonas, cuyo origen geológico y genético es francamente diferente. La frecuente heterogeneidad de los suelos colapsables por humedecimiento: En este sentido hay coincidencia entre los investigadores, que han estudiado suelos colapsables de distinto origen geológico. Así, pueden encontrarse referencias tanto en investigadores que analizaron suelos lateríticos o de origen eólico como el loess (Abeley y Abeley 1979; Moretto, 1986) que en principio suelen considerarse como suelos homogéneos. Es frecuente encontrar una variación en el grado de cementación (por ejemplo, debido a carbonatos) en sólo algunos centímetros. En otros casos esta heterogeneidad es debida a la presencia de grandes macroporos dejados por raíces o insectos. Esto ha llevado a una gran variedad de metodologías para establecer la susceptibilidad al colapso de los suelos y una anarquía en la terminología empleada en los diferentes países para su clasificación. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los diferentes investigadores o códigos han tendido a discretizar el comportamiento del suelo frente al colapso en dos grupos: suelos que colapsan bajo peso propio y suelos que colapsan bajo una carga mayor. Rocca (1985) ha confeccionado una tabla de equivalencias, denominación que reciben en los distintos países. Clasificación de los métodos de identificación de suelos colapsables:
con
la
En cuanto a los tipos de métodos de identificación propiamente dichos, varios han sido los enfoques que se han propuesto. Estos podrían clasificarse en tres grupos: Métodos basados en parámetros físicos de identificación de suelos, tales como Peso Unitario, Límites de Consistencia, Granulometría, etc. Métodos basados en ensayos mecánicos, principalmente en ensayos edométricos. Métodos basados en la magnitud del 51
colapso. Existe una abundante bibliografía sobre los diferentes métodos de clasificación a identificación, en las cuales se ha realizado un análisis crítico sobre los diferentes métodos, como las ya referidas de Rocca (1985) y Redolfi et al (1986) y otras como las de Sultan (1969), Reginatto (1970, 1974), López Corral (1977), Jiménez Salas (1987) y Lutenegger y Saber (1988). Por lo tanto, en este apartado no se insistirá en ello, sino más bien se hará un enfoque general del problema y se presentarán aquellos conceptos v métodos que posteriormente serán utilizados en el desarrollo de estas notas. Métodos basados en parámetros físicos de suelos En general, la mayoría de estos métodos de identificación tienen más bien un carácter cualitativo que cuantitativo, pretendiendo ubicar el suelo analizado en algunos de los grupos mencionados. La clasificación consiste, habitualmente en establecer si el suelo es autocolapsable (colapsable bajo su propio peso) o bien si es condicionalmente colapsable (colapsable bajo carga externa). En estas notas solamente se analizarán tres de ellos, que tienen en común que relacionan el límite líquido y el peso unitario seco.
Métodos basados en ensayos edométricos Estos métodos están basados en la Presión Inicial de Colapso o Presión de Fluencia. La determinación del grupo al cual pertenece el suelo estudiado (auto colapsable o colapsable bajo carga), se realiza comparando la presión de tapada o geostática con la presión a la cual se produce el colapso. Asumiendo como hipótesis que el colapso por humedecimiento ocurre sólo a partir de una cierta presión por encima de la cual, la resistencia estructural del suelo es superada. En tanto, Reginatto (1970) define a la Presión de Fluencia saturada de un suelo colapsable de la misma forma en que se establece la presión de preconsolidación de una arcilla saturada en un ensayo edométrico. Esto no es de extrañar, puesto que conceptualmente ambas definiciones tratan de fijar la presión a la cual la estructura del suelo saturado comienza a colapsar. SOLUCIONES INGENIERILES EN SUELOS COLAPSABLES Consideraciones Generales La primera cuestión que debe analizarse cuando se diseñan cimentaciones en suelos susceptibles al colapso, es la probabilidad que el agente desencadenante del fenómeno, el agua, pueda o no introducirse en el terreno y por ende "sensibilizar" al suelo en donde se apoyarán las 52
estructuras. Por definición, sin la presencia del agua, el suelo no colapsa. Esta cuestión es significativa, puesto que pueden existir numerosos casos en donde la probabilidad que el agua se infiltre en el suelo sea lo suficientemente baja como para analizar la posibilidad de fundar la estructura, considerando el comportamiento del suelo en su estado natural. Hecha esta aclaración, a continuación, se tratará de ofrecer un panorama de las distintas soluciones ingenieriles que se adoptan en suelos colapsables por humedecimiento, cuando las probabilidades de que se produzca el fenómeno son altas. El objetivo central de todas estas soluciones es prevenir las fallas estructurales o de servicio que pueden sobrevenir sobre las estructuras construidas sobre estratos de suelos colapsables. Aitchison (1973) divide a estas soluciones en: a) Tratamiento del suelo colapsable con vista a eliminar la tendencia al colapso a lo largo de todo el estrato de suelos desmoronables. b) Diseño de elementos constructivos que eliminen o disminuyan a límites razonables la posibilidad que se inicie el colapso. c) Diseño de estructuras y/o cimentaciones insensibles a los asentamientos provocados por el colapso, por ejemplo, fundaciones profundas apoyadas sobre un manto profundo no sujeto a los asentamientos por humedecimiento. El primer grupo de soluciones comprende los métodos de mejoramiento de suelo, por medio de los cuales la susceptibilidad al colapso es eliminada, modificando las propiedades resistentes del suelo mediante la compactación o la cementación de los vínculos entre partículas. El segundo grupo incluye la adopción de medidas constructivas tendientes a aislar el agua, de manera de evitar o disminuir la presencia de condiciones favorables al colapso, admitiendo no obstante ciertos riesgos. Finalmente, el tercer grupo engloba tanto las soluciones tradicionales por medio de fundaciones profundas, como el diseño de estructuras con fundaciones directas insensibles a los asentamientos diferenciales provocados por el colapso del suelo. En resumen, en el primer grupo de soluciones se interviene directamente en el suelo, evitando así el colapso; en el segundo grupo se intenta evitar que se produzca el colapso, sin modificar el suelo; y en el último grupo se construyen estructuras y/o fundaciones que admitan y resistan los fenómenos provocados por el colapso del suelo. A continuación se presenta una descripción de las distintas soluciones ingenieriles más utilizadas en este tipo de suelos. 53
IV. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES: Suelos compuesto por materiales arcillosos que al mezclarse con agua u algún otro líquido se expanden o contraen. La identificación. Esto se hace para saber dónde es bueno o no construir una edificación, o bien si no es posible buscar algún otro lugar donde construir. Las soluciones constructivas para fundaciones sobre suelos expansivos, se tiene para la estructura: el palafito, estructura rígida o semirrígida y estructura flexible. Para el suelo el aislamiento, la sustitución y estabilización. Según el RNE, no está permitido cimentar directamente sobre suelos expansivos. La cimentación deberá apoyarse sobre suelos no expansivos o con potencial de expansión bajo. Los pisos no deberán apoyarse directamente sobre suelos expansivos y deberá dejarse un espacio libre suficientemente holgado para permitir que el suelo bajo el piso se expanda y no lo afecte. Cuando se encuentren suelos medianamente expansivos o poco profundos, éstos serán retirados en su totalidad antes de iniciar las obras de construcción y serán reemplazados por Rellenos Controlados compactados adecuadamente de acuerdo al Artículo 21 (21.1). Rellenos controlados o de ingeniería de la presente Norma. Se presentan estos suelos en Estados Unidos, Australia, Nueva Zelanda, África meridional (Sudáfrica), la India, Canada, Israel. En Europa: España. En Latinoamérica: Argentina, Mexico, Venezuela, 54
Brasil, Cuba,Colombia, Costa Rica, Ecuador, Perú. En Perú: Piura, Paita, Talara, Chiclayo, Iquitos, Bagua, Moquegua.
V. BIBLIOGRAFIA CNA. 1993. Manual de Ingeniería de Ríos, “Geotecnia”, capítulo 23, Comisión Nacional del Agua. Knodel, P. C. 1988. “Dispersive Clays”, parte Del capítulo “Materials” del libro Advanced Dam Engineering for Design, Construction, and Rehabilitation, ed. R. B. Hansen, Van Nostrand Reinhold, New York. ICOLD. 1990. Dispersive Soils in Embankment Dams, Review. Boletín 77. Singh, S. (Editor). 1992. “Embankment Dams”. James L. Sherard, Contributions. Geotechnical Special Publication No. 32, Sherard Memorial Volume. ASTM https://www.pdftoword.com/es/ http://suelosexpansivosntic1.blogspot.com/ http://www.estudiosgeotecnicos.info/index.php/suelos-expansivoscolapsables/ http://www.monografias.com/trabajos76/suelos-dispersivos/suelosdispersivos2.shtml#solucionea
55
56
