ESTUDIO COMPARATIVO DE ESTABILIZACIÓN DEL SUELO ARCILLOSO ALTAMENTE EXPANSIVO DEL BARRIO BOCONÓ DE LA CIUDAD DE CUCUTA, 2012.
DIANA KARINA CORREA VILLAMIZAR ORIANA ESCALANTE CHONA LUIS SALVADOR VALDIVIESO SÁNCHEZ GUSTAVO ADOLFO MORALES CARLOS MAURICIO CARREÑO YÁÑEZ IVÁN SAAVEDRA MARIBEL PARRA
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METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER INGENIERÍA CIVIL SAN JOSÉ DE CÚCUTA 2012
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA PROBLEMA El comportamiento de los suelo ha sido de gran interés para muchos investigadores alrededor del mundo, debido al efecto que éste ocasiona sobre las edificaciones urbanas, dicho comportamiento puede variar acorde a las propiedades físicas y químicas de los suelos, estos pueden presentar en algunos casos un alto porcentaje por centaje de d e compresibilidad, altos contenidos de humedad y material orgánico, malas gradaciones, altos índices de plasticidad, entre otras propiedades que influyen considerablemente en la caracterización de un suelo, definiéndose entonces distintos tipos de suelos entre los cuales se encuentran los colapsables, expansivos, cementados, sensitivos, o licuables; todos estos a su vez son considerados suelos especiales debido a que su comportamiento frente a diversos factores los hace inestables generando así grandes daños a múltiples estructuras y a su vez a muchas comunidades; la identificación y ubicación de estos suelos especiales es de gran importancia para elaborarse proyectos preventivos y para la implementación de métodos de estabilización para mejorar las condiciones y la utilidad del suelo. En el contexto internacional existen ciudades como Venecia, Roma, Tokio, Shanghái, Bangkok, Madrás, Bombay, que han sido afectadas por la presencia de estos suelos especiales, su impacto se evidencia principalmente en los hundimientos, otra ciudad a resaltar es la Ciudad de México la cual es considerada como una de las ciudades con los peores suelos del mundo afectado por la licuefacción de sus tierras junto a las aguas ya pantanosas del lago Texcoco. En el estado de Querétaro, México las estimaciones que se han hecho revelan que aproximadamente el 60 % de las casas nuevas presentan daños en paredes, en el primer año después de construcción a causa de la expansividad de los suelos. El caso expansivo de los suelos en EEUU, por ejemplo, ha generado daños de tamaño considerable, las estimaciones de estos daños están entre 2mil y 7mil millones de dólares, lo cual sobrepasa los costos sumados de daños provocados por sismos e inundaciones. Las ciudades nuevas que han sido construidas en Andalucía, España tienen casas donde el 60 % de ellas experimentan severos daños, por expansión y asentamientos del suelo, algunas de ellas han tenido que ser demolidas y reconstruidas totalmente. En general, el tema ha interesado en forma creciente a los especialistas en suelos y construcciones. Se estima que las pérdidas anuales a nivel mundial por daños en las construcciones sobre los suelos expansivos superan los dos billones de dólares. Estudios desarrollados a nivel nacional debido a la presencia de suelos especiales en el país, nos permiten identificar ciertas áreas de importancia; en el occidente colombiano los terrenos susceptibles a licuarse están constituidos de suelos aluviales de las llanuras de inundación de los ríos principales como el Cauca y los afluentes de la vertiente del Pacífico y del Atrato, así como las formaciones deltaicas, intermareales, litorales y pantanosas. Otras zonas han presentado problemas de agrietamiento en algunas estructuras de pavimento y edificaciones, asociados a cambios de volumen del suelo (expansión-contracción) como los municipios de Itagüí (Antioquia) y Barranquilla (Atlántico), Cúcuta (Norte de Santander), entre muchos otros sectores.
En nuestro departamento, Norte de Santander, se han presentado diversos casos, en los que el comportamiento del suelo ha tenido gran relevancia para los ingenieros; la ciudad de Cúcuta es una zona de alta sismicidad y los suelos son inestables, pues están compuestos de arcillas expansivas, aunque en la zona del valle de Cúcuta los suelos son más estables por estar en la rivera del rio Pamplonita, zonas como Atalaya y Ciudadela La Libertad están expuestos a suelos con presencia de arcillas expansivas. Ahora bien, el problemático comportamiento de los ya mencionados suelos expansivos está caracterizado por los cambios de volumen ocasionados por la variación del contenido de agua, generando expansión cuando el suelo está expuesto a la saturación, es decir, que los vacíos presentes entre las partículas de suelo están contenidos en su totalidad de agua, y al disminuir la humedad ocurre que el agua contenido entre los vacíos se evapora generando entre las partículas una contracción y a su vez el agrietamiento del suelo, que se propaga a las estructuras que este soporta. En la ciudad de Cúcuta, en particular, los barrios ya mencionados de Atalaya, la Libertad o zonas del área metropolitana como el barrio Boconó, son territorios caracterizados principalmente por la presencia de suelos arcillosos. Diversos estudios que se han realizado en la región han permitido identificarlos como expansivos, lo que lleva a los ingenieros a no perder de vista los daños estructurales ocasionados y que pueden seguir ocasionando en construcciones y buscar tratamientos para combatir los efectos perjudiciales de las arcillas expansivas. Estos tratamientos del terreno, mejor conocidos como estabilización de suelos, se basan en modificar las características indeseables que muestra un cierto tipo de suelo, para el uso específico que pretende dársele. No debe perderse de vista que la presencia de una arcilla expansiva, como en estos casos, puede ser problemática tanto por la probable baja capacidad de carga que presente como por la amenaza de provocar fuertes movimientos diferenciales a la estructura que pretende construir. Sin embargo debe tenerse en cuenta que para que una arcilla expansiva nos cree problemas, es necesaria la presencia de agua, y por lo tanto se vuelve de importancia primordial conocer y tomar estudiar todo lo relacionado con dicho elemento, que genera, a corto plazo (los primeros ciclos anuales) levantamientos de la periferia provocados por la dilatación que acompañan las primeras lluvias. A largo plazo (tres a cinco años), un aumento continuo del contenido de agua bajo el centro de la estructura que se trate, sobre todo si el nivel freático es poco profundo. Su periferia (especialmente las esquinas) permanece más expuesta a las variaciones climáticas y el efecto es traducido en general a una dilatación máxima en el centro y a una alternancia levantamiento-asiento en la periferia. Estos movimientos diferenciales engendran, a su vez, esfuerzos alternos en las construcciones, y muy particularmente en los muros de construcciones ligeras como son las viviendas unifamiliares. Se producen grietas y algunas de estas se le añaden efectos de fatiga debidos a estas alternancia de esfuerzos, y que son capaces de llevar a una estructura a su ruina. El objetivo principal en el campo ingenieril es permitir una adecuada expansión urbana, y para ello es necesario que el suelo tenga las condiciones necesarias para ofrecer calidad en las construcciones, ya sean viviendas, vías, edificios, u otros tipos de estructuras. Los elevados costos para realizar reparaciones en las estructuras que presentan daños debido a los efectos ocasionados por los suelos expansivos , nos lleva a buscar una alternativa o un método con el
cual se mejoren las condiciones del suelo, reduciendo los daños y con esto los gastos generados.
2. JUSTIFICACIÓN
El conocimiento de las propiedades físicas y químicas de los suelos arcillosos de la región y sus diversos efectos permiten catalogarla como suelos riesgosos para la construcción limitando la expansión urbana. Debido a esta situación problemática es necesario realizar una amplia investigación para mejorar la condición de estos suelos aplicando métodos que contrarresten los efectos negativos que generan. Una consecuencia principal del uso de este tipo de suelo, derivada en los daños estructurales que ocasionan a muchas viviendas convirtiéndose en necesidad identificar y aplicar un procedimiento eficiente que mitigue los daños. Esta propuesta investigativa busca ofrecer beneficios a la comunidad en cuanto a la calidad en la ejecución de proyectos de viviendas de interés social, el mejoramiento de las condiciones de uso de las vías que se encuentran sobre este tipo de suelo y el desarrollo de infraestructuras que el estado o entidades privadas proyecten, a través de un método viable que permita el mejoramiento de las características ya descritas del suelo, con el objetivo a futuro de permitir un adecuado desarrollo urbano.
3. HIPOTESIS
Los cambios de volumen que presentan las arcillas expansivas en el barrio Boconó disminuyen una vez se aplica el método de estabilización.
4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL:
Identificar un método de estabilización para los suelos expansivos del barrio Boconó de la ciudad de Cúcuta con la finalidad de mejorar las condiciones del terreno y su utilidad en las construcciones civiles.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Analizar las propiedades físicas y químicas de los suelos arcillosos del barrio Boconó de la ciudad de Cúcuta.
Estudiar el comportamiento del suelo mediante un análisis comparativo de diversos métodos de estabilización.
este suelo.
Verificar la eficacia y viabilidad del método de estabilización utilizado sobre
5. MARCO DE REFERENCIAS
5.1 MARCO DE ANTECEDENTES: 5.1.1
Curado natural y acelerado de una arcilla estabilizada con aceite sulfonado:
Un estudio desarrollado en la Universidad Militar Nueva Granada de Bogotá, financiado por Colciencias y Química Cros S.A, se basó en la optimización de la estabilización electroquímica de una arcilla expansiva analizando los efectos en la arcilla respecto a la velocidad de curado natural y artificial. En dicha estabilización se utilizó aceite sulfonado, cuya acción principal es generar un intercambio iónico, y sobre las arcillas produce desalojo de agua y con ello la reducción de vacíos intersticiales, reducción de la permeabilidad, incrementación de la sedimentación y mejora la respuesta a la compactación, lo que aumenta la densidad del suelo. A través de una simulación de radiación UV, se buscaba acelerar el envejecimiento de la arcilla, una vez aplicado el estabilizante, empleando radiación con una cámara que aceleraba los procesos electroquímicos entre el estabilizante y la arcilla. La metodología efectuada, fue inicialmente obtener una arcilla de expansión marginal (% LL entre 50-60 y % IP entre 25-35), se prepararon las muestras con el aceite sulfonado, para su curado natural durante periodos de 30, 60, 90 y 120 días; se prepararon las muestras para el curado en cámara. Luego de las pruebas se realizaron los ensayos de límite líquido y plástico para estimar el potencial expansivo del suelo obtenido. Los resultados indicaron que el curado en cámara permitió una disminución del índice de plasticidad de la arcilla y que a mayor dosificación de aceite sulfonado se requeriría mayor tiempo de curado en cámara.
5.1.2 Polímeros para la estabilización volumétrica de arcillas expansivas: En una investigación realizada, en la Universidad Autónoma de Queretano, México, se analizó el comportamiento de un suelo altamente expansivo en estado natural y el del mismo suelo altamente expansivo al cual se le adicionó un tipo de polímero. Se conceptualizaron inicialmente las características y propiedades de los polímeros, así como las de las arcillas altamente expansivas, y los distintos métodos de estabilización que se pueden llevar a cabo en este tipo de suelos. Puntualizando que el uso de materiales poliméricos sobre arcillas expansivas, forman una estructura impermeable al agua, así como aumentan la resistencia al corte y por ende mejoran la compactación. Metodológicamente la investigación parte de elegir el suelo de Jacarandas, Queretano, México, caracterizado por presentar alto potencial expansivo, se utilizó un poliuretano usado comúnmente para el sellado de grietas y como refuerzo de suelos granulares. Se conformó la mezcla suelo-polímero al 2, 4, 6,8 y 10 % respecto al peso seco del suelo. Se realizaron diversos ensayos al suelo en estado natural y al suelo-polímero, de los resultados obtenidos en las pruebas se observó que la mezcla que mejor logró los objetivos del estudio fue el suelo-polímero al 5%. Se obtuvo entonces, que la muestra suelo-polímero reduce un alto porcentaje del potencial expansivo, alrededor de un 40% respecto a la expansión natural del suelo, se redujo el coeficiente de permeabilidad, el suelo con polímero resultó ser menos compresible que el natural, lo que llegaría a reducir
significativamente problemas de asentamientos, pero no mejoraba las condiciones de resistencia.
5.1.3 Evaluación de aditivos utilizados en el tratamiento de arcillas expansivas: Publicada en la red de revistas científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal, esta investigación realizada en la universidad Militar Nueva Granda de Bogotá, presenta los estudios realizados comparativamente de tres sustancias que posibilita la estabilización de arcillas con alto potencial expansivo. Básicamente se analizan las propiedades físico-químicas de la arcilla expansiva conocida como Bentonita, teniéndose en cuenta, principalmente el potencial de expansión que estas pueden presentar, y los métodos de estabilización que se han utilizado en dichas arcillas. Se describen las sustancias utilizadas como aditivos en esta investigación y los efectos que pueden producir sobre las arcillas, estos aditivos son: cal, cenizas volantes y aceite sulfonado. Los investigadores recalcan que aunque estos efectos de estos aditivos ya han sido producto de investigaciones, no se había desarrollado una investigación en la que se analizara simultáneamente estas tres alternativas y bajo condiciones severas de expansión. Se realizaron ensayos de caracterización física y mecánica de cada uno de las mezclas de suelo-aditivo, y se concluyeron de estos ensayos que: el aditivo que reduce en mayor proporción las propiedades expansivas de la bentonita es la cal, aún en concentraciones bajas, y en cuanto a propiedades de resistencia también proporciono buenos resultados, por tanto se considera como el aditivo más eficiente; mientras que las cenizas volantes aunque proporcionan mejores condiciones y reducción en el potencial expansivo, se requiere para ello cantidades excesivas y por ende no resulta ser viable, por último aceite sulfonado, en el tratamiento de laboratorio, no presentó resultados importantes, pues no hubo manera de tener condiciones de curado similares a las de campo.
5.1.4 Comportamiento de edificaciones ligeras expansivas.técnicas de diseño y rehabilitación:
construidas
sobre
arcillas
Un estudio llevado a cabo en Venezuela, acerca de las patologías de las construcciones sobre arcillas expansivas, específicamente en las ciudades de Barquisimeto y Coromoto, proporciona información sobre la propiedad expansiva de las arcillas y la importancia de determinar en terreno la zona activa de dicho suelo, denominada así, por ser la zona del suelo, donde potencialmente ocurren cambios de humedad a causa de las variaciones del clima, este parámetro es de gran importancia en el diseño de cimentaciones sobre suelos expansivos, ya que por debajo de esta frontera, no se producen cambios volumétricos en la masa de suelo. La metodología de dicha investigación fue realizar una caracterización de las fallas originadas por el comportamiento físico y mecánico de estos suelos, realizando pruebas y ensayos de laboratorio pertinentes, clasificando la intensidad de las fallas y de acuerdo al potencial de expansión, lograr adecuar alguna técnica de reparación o adecuación a la construcción que se tratase. Dentro de los procedimientos de diseño y rehabilitación de las viviendas, se encuentran mencionados: la cimentación sobre pilotes, que cosiste básicamente en cimentar a una profundidad por debajo de la zona activa; la estabilización electroquímica y la estabilización a través de inyecciones de agua o aceite y barreras de protección conformadas
por losas de hormigón; las barreras de control de humedad que son fronteras horizontales y verticales que se construyen para aislar el terreno de arcilla natural de la entrada o salida de humedad. Uno de los casos analizados, fue la construcción de 42 viviendas en el parcelamiento los tinajeros en Coro, Estado Falcón, sobre arcillas expansivas, el sistema estabilizador utilizado fue la inyección de aceite sulfonado en una dosificación de 3 l por cada inyección a una profundidad de 80 cm, y se construyo una barrera vertical de control de humedad. En la urbanización La Coromoto, la construcción de 158 viviendas unifamiliares, la solución de cimentación se hizo en una losa de piso, y los resultados fueron satisfactorios, pues las viviendas no presentaron ningún tipo de agrietamiento. Y en un conjunto de 552 apartamentos de interés social distribuido en 43 edificaciones de 3 y 4 plantas, en la ciudad de Barquisimeto, se alcanzó la estabilidad de la estructura con un sistema de barras horizontales y verticales y con inyecciones de agua.
5.1.5
Construcción de un modelo a escala para implementar la técnica de estabilización de suelos expansivos de remoción y reemplazo con material inerte:
El objetivo principal de esta investigación fue construir un modelo a escala para implementar la técnica de estabilización de suelos expansivos de remoción y reemplazo con material inerte para luego ser aplicado a un terreno. La metodología experimental empleada en este trabajo se fundamento en los resultados obtenidos en el trabajo especial de grado de Escobar y Oropeza (2001). En donde se señala que la granulometría óptima de material inerte para la estabilización de suelos expansivos es la pasante del tamiz No. 4 con un espesor de 40 cm. Dicha metodología se basó en demostrar en campo que el espesor antes referido cumplía con lo establecido, por lo que se procedió a optimizar el espesor de material inerte disminuyéndolo a 35cm. Esta investigación comenzó con la caracterización del material a partir de ensayos de laboratorio para determinar su plasticidad, luego se compactó y se ubicó el material con el espesor indicado, se colocó una losa de fundición sobre la arena y sobre ésta el peso aproximado de una vivienda representativa de la Urb. Villas Cantevista. Determinando que dicho espesor cumplía con los objetivos planteados disminuyéndose con esto el espesor de material inerte, como aporte a la optimización definitiva del modelo.
5.1.6 El tratamiento de los suelos expansivos en las carreteras mexicanas: En este trabajo, se presentan las experiencias adquiridas en la implementación de las soluciones elegidas para resolver el paso de las autopistas de cuota Mazatlan-Culiacan y México-Guadalajara por zonas cubiertas con suelos expansivos. Las soluciones elegidas fueron: la sustitución de todo el material expansivo, el uso de pantallas verticales de impermeabilización y el empleo de terraplenes formados con suelos coherentes no expansivos. Los resultados fueron que el funcionamiento de los tramos en que se aplicaron esas soluciones es satisfactorio.
5.1.7 Acciones de los suelos expansivos sobre las cimentaciones, métodos de prevención y control: En esta investigación de la Universidad de Montevideo, se ponen a prueba distintos métodos para estabilizar un suelo expansivo desde el punto de vista de la cimentación (tipo y adecuación de las mismas a las características del suelo), así como a las diferentes formas de actuación para reducir o eliminar el potencial expansivo del suelo. Finalmente se exponen los antecedentes, patologías causadas y actuación realizada sobre las cimentaciones en una planta industrial de Montevideo, ubicada en una zona próxima a la costa y atribuida a fenómenos de expansión del suelo.
5.1.8 Efecto de la radiación uv en arcillas expansivas tratadas con aceite sulfonado: La facultad de ingeniería de la Universidad Militar Nueva Granda realizó una investigación sobre la estabilización de arcillas expansivas con aceite sulfonado, proceso electroquímico que se desarrolla a lo largo del tiempo y cuyo progreso depende de las condiciones ambientales existentes en el campo. La evolución de este fenómeno se estudió mediante el análisis experimental de tres tipos de arcilla expansiva sometidas a tratamiento con aceite sulfonado en diferentes dosificaciones. Para simular las condiciones ambientales, estas arcillas fueron expuestas a radiación UV en una cámara de envejecimiento acelerado. Una vez conseguido el periodo de envejecimiento programado, se realizaron ensayos de límites de consistencia a las muestras para determinar la influencia del envejecimiento y el porcentaje de aceite sulfonado en las propiedades expansivas de las arcillas. Los resultados obtenidos permitieron observar que la plasticidad del material depende del periodo de exposición y la dosificación de aceite sulfonado utilizada.
5.1.9 Tratamiento químico de suelos activos iv: el uso de cloruro de potasio: El cloruro de potasio ha sido utilizado en investigaciones de laboratorio para la reducción del potencial de expansión de mezclas de bentonita y caolinita. El criterio de dosificación en este tratamiento ha sido saturar la capacidad de intercambio catiónico bien sea medida directamente o estimada a partir de los límites de consistencia o del potencial de expansión. Las mezclas tratadas respondieron satisfactoriamente a tratamientos entre 20 y 60 g de KCL por kg de mezcla. El tratamiento con cloruro de potasio ha presentado eficiencias en el laboratorio mayores del 50%, con disminución moderada del índice plástico y un efecto menor sobre el límite de contracción. La mayor parte de los suelos activos pueden responder de la misma manera al tratamiento con cloruro de potasio. El efecto del tratamiento puede ser permanente dada la posición del ion potasio en la serie de remplazamiento de capacidad de intercambio catiónico. Un ocasional desplazamiento de los iones de potasio por iones de amonio sería ventajoso desde el punto de vista del control de su potencial de expansión. En la actualidad se investiga la estabilidad del efecto del tratamiento al someter el suelo a un proceso prolongado de lixiviación.
5.1.10 Evaluación de la temperatura como método de estabilización de arcillas: En el artículo se presentan los resultados experimentales de ensayar dos tipos de arcillas con el fin de evaluar la influencia que tiene la temperatura sobre sus propiedades índices, mecánicas y el potencial de expansión. El objetivo general de la investigación es evaluar si la aplicación de temperatura puede ser utilizada como mecanismo de estabilización de arcillas. En la primera fase de la investigación, las muestras de arcilla fueron sometidas a tres temperaturas (150, 225 y 300°C) y tiempos de exposición diferentes (1, 7 y 15 días) para evaluar el cambio que experimentan en sus índices de consistencia (límites líquido, plástico y contracción), resistencia a la compresión no confinada y potencial de expansión (índice de hinchamiento, expansión libre y en consolidómetro). Los resultados muestran que el potencial de expansión de las arcillas ensayadas disminuye y la resistencia a la compresión simple aumenta cuando se eleva la temperatura de las muestras entre 150-300ºC.
5.1.11 Aditivo químico obtenido de sales cuaternarias empleado para la estabilización de suelos arcillosos de subrasantes de carreteras: La construcción de subrasantes para obras viales, como principio, se basa en el aprovechamiento de suelos locales como material de fácil obtención y de bajo costo, pero que en ocasiones necesitan ser mejorados, dado que no cumplen las exigencias mínimas para su empleo. Aún así se logran grandes ahorros, del orden del 20 al 45 % respecto a los costos de construcción con materiales extraídos de canteras de préstamos lejanas. La estabilización química es una de las técnicas que se emplean para el mejoramiento de subrasantes, utilizando sustancias químicas que modifican las características de los suelos, reduciendo plasticidad e incrementando la cohesión y su capacidad de soporte. En Cuba, para aliviar la carencia de materiales locales en algunas regiones del país, se desarrolló una investigación que dio como resultado la creación de un procedimiento de estabilización de suelos utilizando sales cuaternarias. El Sistema de Estabilización e Impermeabilización de Suelos, así creado, tiene como ventajas principales su economía y simplicidad en su empleo, además de conseguir el incremento de resistencia y reducción de permeabilidad en los suelos donde se aplique.
5.1.12 Estabilización físico-química de suelos arcillosos elaborados con precursores nanométricos: En esta investigación se probaron cuatro productos nuevos creados a través de precursores nano-métricos donde se pretendió ver qué tipo de mejoría o estabilización realizaban estos dentro de las propiedades físicas y químicas de las arcillas. Estos productos ó también llamados estabilizantes, se aplicaron en la parte experimental basándose en la metodología de la "National Lime Association", utilizando la norma de "Diseño y procedimiento de ensayos de suelos estabilizados con cal".
5.1.13 Comportamiento resistente de suelos orgánicos estabilizados con tanino: El objetivo del presente trabajo fue evaluar la resistencia de suelos orgánicos del noreste argentino, una vez cumplido el proceso de estabilización con distintas resinas. Se realizaron ensayos de resistencia triaxial sobre probetas de suelo orgánico, natural y estabilizado. El tratamiento se materializó incorporando al suelo resinas en las que intervinieron productos obtenidos de la cadena de fabricación del tanino de Quebracho Colorado, un aldehído y agua. La concentración de la resina fue variable, como también la proporción con respecto al peso seco del suelo en que se la agregaba y los días de curado. Los ensayos triaxiales permitieron el trazado de las líneas de resistencia intrínseca para evaluar la acción del estabilizante. Los resultados indicaron un incremento en la resistencia mecánica del suelo estabilizado, pudiéndose identificar la resina que indujo a un mejor efecto sobre el suelo natural, permitiendo extender las posibilidades de aplicación del material tratado.
5.1.14 Aplicación de aserrín de la industria forestal para el mejoramiento del suelo: De las experiencias realizadas para estudiar la factibilidad de utilizar diversos residuos de la industria forestal como mejoradores de suelo se puede concluir que el aserrín mejora el régimen de agua en suelos de textura extrema tanto arcillosa como arenosa, así como igualmente contribuye a la dinámica de elementos nutritivos favoreciendo su disponibilidad.
5.1.15 Estabilización de suelos con biocemento: La inclusión de soluciones biotecnológicas ha abierto nuevas posibilidades de estabilización de suelos a partir de la formación bacteriana de cristales de calcita, un conocido cementante natural que permite mejorar las propiedades mecánicas del suelo. Las bacterias degradadoras de urea producen amonio a partir de la hidrólisis de esta, creando unas condiciones alcalinas necesarias para la precipitación de carbonato de cal-cio. En éste documento se reportan los resultados obtenidos de los ensayos de compresión endométrica a los 20 días de realizado el tratamiento a una arena gravosa tipo SP con una bacteria del tipo cocobacilo grampositivo - ureasa positivo, aislada de un suelo de origen calizo donde es común el fenómeno de precipitación de carbonato de calcio o calcita.
5.1.16 Emplazamiento para viviendas economicas: El gran déficit de viviendas y el mejoramiento de las condiciones del habitad ameritan una atención especial que permita buscar soluciones locales, basadas en las condiciones económicas y sociales importantes en el país y que respondan a la clase mas desposeída. Con este trabajo se pretende colaborar para que se pueda resolver satisfactoriamente tal situación, teniendo en cuenta que para el emplazamiento de las viviendas hay que considerar varios aspectos que inciden en ello, estableciendo a lo largo del trabajo las características de los suelos aptos para la construcción de viviendas económicas, evitando el incremente de los costos por concepto de movimiento de tierra y cimentación; este abarca el estudio de las
condiciones topográficas, climáticas, elementos físicos y naturales, exponiendo los lineamientos a considerar en el área de proyecto sobre este particular.
5.1.17 Tratamiento de suelos marginales o inadecuados con aditivos cementantes para terraplenes viarios: Tanto de la recopilación bibliográfica como de los ensayos realizados, se ha concluido que en el caso de tratamientos con cal de suelos que contienen sulfatos, la pérdida de resistencia va a ser tanto mayor cuanto mayor sea el porcentaje de cal hidratada, lo que se produce incluso con pequeños contenidos de sulfatos. Debe destacarse que la parte principal de pérdida de resistencia puede llegar a producirse después de 3 meses de realización de la mezcla en las probetas de laboratorio. Sin embargo, el suelo tratado con un porcentaje reducido de cal, como sería el necesario para el tratamiento del cuerpo de un terraplén, puede mantener unos parámetros suficientes a pesar de que el terreno contenga sulfatos.
5.1.18 Deformabilidad de las arcillas expansivas bajo succión controlada: Esta investigación trata del estudio de los cambios de volumen de las arcillas expansivas debidos a modificaciones de humedad e a variaciones de presiones en el suelo, mediante ensayos edométricos con succión controlada. En el estudio experimental se consideran distintas condiciones del estado inicial del suelo, diferentes trayectorias de tensión y de humectación, así como la repetición de ciclos de humedad-sequedad. El objetivo principal de este trabajo es conocer mejor el desarrollo y evolución de la expansividad de las arcillas en consecuencia de los cambios de volumen espontáneos propios de las zonas de clima árido o semiárido, donde se presentan ciclos de humedad-sequedad bien definidos.
5.2 MARCO CONCEPTUAL: La incidencia del comportamiento de los materiales expansivos en los daños experimentados por las estructuras no fue identificada por los especialistas en el estudio de suelos y fundaciones como una de las causas fundamentales de esos daños, prácticamente hasta fines de 1930. A partir de allí se comienza a reconocer que muchas de las patologías de las estructuras, que eran atribuidas a asentamientos del suelo u otros problemas, se debían en realidad a un fenómeno de hinchamiento. El tema ha interesado en forma creciente a los especialistas en suelos y construcciones. En muchos lugares del mundo el tema ha merecido permanentemente la preocupación de arquitectos e ingenieros ya que muchos daños causados en obras de arquitectura (sobre todo en viviendas económicas, que son las más afectadas por este fenómeno) y de ingeniería civil (carreteras, canalizaciones, etc.), se sospecha que han sido originadas en problemas de expansión de suelos en los que se apoyan.
5.2.1 Características físico-químicas de las arcillas: Las arcillas están básicamente compuestas por silicatos de aluminios que en algunos casos pueden ser reemplazados por silicatos de magnesio o calcio, cuyas partículas tienen una estructura químicamente definida, donde los átomos se precisan en láminas; provienen de la alteración físico-química, por acción principalmente del agua, de minerales que forman parte de otras rocas preexistentes, de tal manera que en función del grado de erosión y qué roca se altera, da lugar a una serie de minerales denominados “minerales de la arcilla”.
Existen tres grandes grupos de minerales que hacen parte de la formación básica de las arcillas. Caolinitas, ilitas y montmorillonita. Los suelos arcillosos nos solamente son expansivos debido a la estructura química que hace parte de estos, sino que además la presencia de minerales como la montmorillonita permiten mayores índices de hinchamientos. Como características especial todas las arcillas tiene de una forma u otra, la propiedad de contraerse cuando pierden humedad y de expandirse cuando la ganan de nuevo según las condiciones ambientales.
5.2.2 Características de un suelo expansivo: Los suelos expansivas son arcillas que presentan cambio de volumen con los cambios de humedad, cuando la arcilla se humedece sufre fuerte expansión que produce daños considerables en paredes y pisos sobre todo en climas de largos o intermitentes períodos de humedad; debido a los cambios de volumen con los cambios de humedad. Pequeñas zapatas soportando livianas cargas son más fácilmente levantadas o movidas por la arcilla expansiva, lo mismo sucede en las vigas de cimentación. Para determinar la estimación del grado de expansividad de un suelo existen una serie de ensayos como:
Límites de Atterberg: Determinación del límite líquido, limite plástico e índice de plasticidad.
Edómetro: Presión de hinchamiento, colapsabilidad, asientos, etc.
Humedad natural: Porcentaje de humedad contenido en el suelo.
Hinchamiento Lambe: Cálculo del volumen potencial.
Granulometría: Determinación del porcentaje de finos, clasificándolo en arcillas o limos.
Las arcillas expansivas se caracterizan a menudo por su alto límite líquido (LL) y un alto índice de plasticidad (IP). El límite líquido (LL) del suelo se define como el contenido de humedad expresado en por ciento con respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico.
Baja plasticidad LL < 35%
Plasticidad intermedia LL = 35- 50%
Alta plasticidad LL = 50 – 70%
Plasticidad muy alta LL = 70 – 90%
Plasticidad extremadamente alta LL > 90%
5.2.3 Potencial de expansion de los suelos: Muchos estudios coinciden en que los suelos con índice de plasticidad mayores a 35% y un límite liquido superior a 60% son altamente expansivos, un ejemplo claro se aprecia en las normas colombianas sismo resistentes 1998 las cuales determinan como identificar los suelos expansivos.
5.2.4 Estabilizacion de suelos expansivos: La estabilización de un suelo es el proceso por el cual se mejoran las propiedades del mismo. Entre los aditivos usados en la estabilización de los suelos se encuentran los siguientes (Sowers, 1994):
Adictivos que retienen humedad: sales comunes y cloruro de calcio. Adictivos resistentes a la humedad: agentes impermeabilizantes resinosos e hidrófugos, materiales bituminosos y asfaltos rebajados.
Mescla de suelo – cemento, en la mayoría de los casos se hace con cemento portland. Cal y cemento: reacciona con el suelo químicamente permitiendo reacciones puzolánicas. Agentes dispersantes: entre los cuales se encuentran el Silicato de Sodio y poli fosfato de sodio que reducen el límite líquido, el índice plástico y la permeabilidad.
5.3 MARCO TEORICO: Los efectos de las arcillas expansivas han sido un problema que cada año se ve reflejado en cuantiosas pérdidas de dinero. Este problema se ha venido mitigando con la utilización de diversos métodos que principalmente se orientan hacia su estabilización, bien sea física o electroquímica, entre los cuales se destacan la cal, las cenizas volantes y los aceites sulfonados, que han sido estudio de investigaciones aisladas, pero no se encontraron investigaciones que evaluaran simultáneamente estas tres alternativas y bajo condiciones severas de expansión. Las investigaciones principales sobre los suelos expansivos fueron realizadas por Lambe Whitman, Fu. H. Chen y Brackley entre otros. Para poder estudiar el comportamiento de los suelos expansibles, es importante conocer las estructuras y las características de las arcillas, un aspecto muy importante a la hora de hablar de arcillas es su mineralogía. Lara et al (LARA T, ZEPEDA J, CASTAÑO V) [1] utilizaron cal, yeso y poliuretano para estabilización de arcillas con un alto potencial expansivo. La investigación arrojo discusiones acerca de la importancia del conocimiento de la mineralogía del suelo para controlar su comportamiento expansivo, el cual fue analizado mediante métodos directos de laboratorio como la difracción por rayos X, e indirectos como los límites de Atterberg, el potencial de cambio volumétrico y la actividad del suelo. Akawwi (AKAWWI, E., AL-KHARABSHEH, A.) [2] Evaluó la estabilización con cal de suelos expansivos de Amman y empleo el método de la difracción de rayos X para identificar los minerales presentes en el suelo observando que el potencial de cambio volumétrico depende de la composición mineralógica y aumenta con el contenido de montmorillonita. Bonilla (BONILLA B.) [3] oriento la investigación hacia la utilización de las cenizas volantes como aditivo estabilizador por ser de fácil adquisición. Estudios realizados por Garzón, muestran el efecto que a nivel microscópico tiene el aceite sulfonado como consecuencia del desalojo de agua.
Resultados reportados por compañías de ingeniería (citados por Acresquim, 1993) muestran reducciones en el límite líquido y aumento en el CBR de subrasante tratadas con Geo-stab. Bateman reporta un limo arcilloso con límite líquido del 103% y CBR menor al 1% que al ser tratado presenta un límite liquido del 62% y CBR igual a 26%. El de curado, incide también en la eficiencia del producto. Información reportada por pilotajes técnicos muestra como la presión de expansión tomada a diferentes días de tratamiento, va reduciéndose paulatinamente.
5.4 MARCO CONTEXTUAL 5.4.1
Marco geográfico:
Las arcillas expansivas se originan en la conjugación de un terreno arcilloso con unas condiciones ambientales que produzcan cambios apreciables de humedad. Esto se encuentra principalmente en las dos zonas de globo terrestre que podemos llamar monzónica, en las que las estaciones son muy marcadas con periodos secos prolongados. Con características diferentes también aparecen en las zonas semidesérticas o sahelianas. Situadas entre las monzónicas y las tropicales *(J.A. Jiménez salas: geotecnia y cimientos 3. Primera parte capitulo 5. Editorial Rueda. Madrid. España. (1980). Ubicación de la zona geográfica a estudi ar.
Boconó Fue un corregimiento de Cúcuta hasta 1986. A mediados de la década de los 40 del siglo pasado sólo conformaban el poblado unos 25 ranchitos "al estilo indígena", y vivían
como un resguardo. A comienzos del siglo XX estas tierras producían maíz, yuca, plátano y guineo negro y había muchas huertas proveedoras de mercado cucuteño. Aunque aún se conservan muchas viviendas antiguas construidas con bahareque en este sector se levantan varios proyectos de vivienda. La terminación del anillo vial ha traído el desarrollo. En sus comienzos, las principales "galleras" de Cúcuta estaban en ese barrio. Hoy día, es un territorio de expansión urbana.
6. METODOLOGICO PRELIMINAR
6.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN De acuerdo a la metodología utilizada en el estudio se desarrolla una investigación de tipo cuantitativa, debido a que en ella se plantean métodos para ser verificados o rechazados a través de pruebas y datos obtenidos en el laboratorio acerca de los suelos expansivos, para buscar su estabilización. Además la investigación parte de un problema bien definido con un objetivo claramente establecido. Específicamente será una investigación evaluativa, puesto que se presupone la puesta en obra de medios físicos, humanos y financieros, organizados de manera coherente en el tiempo con el fin de modificar la situación problema, que son los efectos de los suelos expansivos en las construcciones civiles.
6.2 POBLACIÓN Áreas de suelo con antecedentes de expansividad en el Barrio Boconó.
6.3 MUESTRA Volúmenes de suelo extraídos mediante métodos de exploración como indica la NSR-10 (Norma Sismo Resistente del 2010)
6.4 VARIABLES Variable Dependiente: Cambios volumétricos del suelo Definición: Acción que presentan los suelos arcillosos que consiste en una contracción cuando hay pérdida de humedad y una expansión cuando la ganan de nuevo según las condiciones ambientales. Dimensiones o subvariables: Condiciones medio ambientales, minerales activos, propiedades índices del suelo, redes de acueducto, redes de alcantarillado.
Subvariable: Condiciones medio ambientales
Definición: Todos los factores que condicionan la estructura y forma de vida en un espacio definido, tanto físico como biológico. Indicadores: Nombre: Temperatura Atributo: Radiación solar Unidad: Grados centígrados. Unidad Operativa: Mediciones con termómetro
Nombre: Vegetación Atributo: Acción de las raíces sobre los suelos. Unidad: En este caso no hay unidades (por ser una variable cualitativa) Unidad Operativa: Levantamientos, asentamientos provocados, tuberías invadidas por especies agresivas.
Nombre: Precipitaciones variables Atributo: Fenómeno del niño, fenómeno de la niña. Unidad: Milímetros de altura de agua. Unidad Operativa: Mediciones con pluviómetro en estación meteorológica.
Subvariable: Minerales activos Definición: Como minerales activos se reconocen la montmorillonita, la vermiculita y algunas variedades de la haloisita; la particularidad de éstos radica en que tienen la propiedad de “absorber” moléculas de agua dentro de su propia estructura molecular.
Indicador: Nombre: Estructura molecular Atributo: Intercambio catiónico (actividad eléctrica) Unidad: La capacidad de intercambio generalmente se expresa en términos de miligramos equivalentes de hidrógeno por 100 g de coloide. Cuya denominación abreviada es mili equivalente por 100 gramos o meq/100 g. Por definición, se convierte en el peso de un elemento que desplaza un peso atómico de hidrógeno. Unidad Operativa: Se mide en términos de la suma de las concentraciones en partes por millón (ppm) de los cationes desplazados, estos valores son convertidos a meq/100 g de la forma siguiente:
Subvariable: Propiedades índice del suelo Definición: Las propiedades índices permiten la diferenciación de suelos de una misma categoría, condiciones de estado del suelo y comportamiento físico. Estas propiedades se generan debido a la proporción de los componentes del suelo.
Indicadores: Nombre: Humedad natural Atributo: Contenido de agua Unidad: Porcentaje Unidad Operativa: Razón entre el peso del agua y el peso del suelo seco de una muestra de suelo:
Nombre: Consistencia del Suelo Atributo: Límite liquido, limite plástico, limite de contracción. Unidad: Porcentaje. Unidad Operativa: El límite líquido o menor límite de un fluido viscoso, es la humedad a la cual dos secciones de suelo amasado, puestos en un recipiente cóncavo, apenas se tocan bajo el impacto de varios golpes secos. El límite plástico o menor límite del estado plástico, es la humedad donde un suelo se disgrega cuando es enrollado en bastoncitos. El límite de contracción o menor límite de cambio de volumen es aquel en que la pérdida de humedad no causa perdida de volumen.
Nombre: Actividad Atributo: Propiedad plástica Unidad: Adimensional Unidad Operativa: Es la pendiente de la línea que correlaciona IP (índice de plasticidad) con el porcentaje de granos más finos que 2µ, se expresa como:
Nombre: Índice de Consistencia Atributo: Firmeza del suelo Unidad: Adimensional Unidad Operativa: Se calcula usando la siguiente razón:
Nombre: Índice de liquidez Atributo: Consistencia relativa de un suelo cohesivo. Unidad: Adimensional Unidad Operativa: Se calcula siguiendo la razón:
Nombre: Potencial expansivo Atributo: Grado de hinchamiento Unidad: En este caso no hay unidades
Unidad Operativa: Se determina mediante la comparación de diversos parámetros y otras propiedades índice de los suelos y a través del criterio del ingeniero.
Subvariable: Redes de acueducto Definición: Son el conjunto de tuberías de conducción y distribución del agua ubicados al interior de la vivienda, a partir de la salida del medidor y hasta la entrega en los artefactos sanitarios, lavamanos, cocina, lavadero, u otros receptores. Indicador: Nombre: Fugas de agua Atributo: Caudal Unidad: m3/s Unidad Operativa: Cantidad de agua que se infiltra en el suelo por unidad de tiempo.
Subvariable: Redes de alcantarillado Definición: Es el sistema de conductos, tuberías y estructuras empleados para transportar las aguas residuales, cloacales o servidas (alcantarillado sanitario), o aguas de lluvia, (alcantarillado pluvial) desde diferentes puntos donde las reciben hasta el sitio de tratamiento u otro punto de descarga. Indicador: Nombre: Fugas de agua Atributo: Caudal Unidad: m3/s Unidad Operativa: Cantidad de agua que se infiltra en el suelo por unidad de tiempo.
6.5 HIPOTESIS NULA: Los cambios de volumen que presentan las arcillas expansivas en el barrio Boconó, disminuyen una vez se aplica el método de estabilización.
6.6 HIPOTESIS ALTERNATIVA: El suelo tratado con el método estabilizador presenta condiciones aptas para la construcción de obras civiles en la ciudad.
6.7 POSIBLES COLABORADORES:
INTEGRANTES DEL EQUIPO DE TRABAJO: Diana Karina Correa Villamizar, Oriana Escalante Chona, Luis Salvador Valdivieso, Carlos Mauricio Carreño Yáñez, Gustavo Adolfo Morales, Ivan Saavedra, Maribel Parra. TITULO ACADEMICO: Ingenieros Civiles en formación. FORMA DE COLABORACIÓN: A través de la toma de datos, trabajo de campo, análisis de resultados, toma de decisiones, interpretación de datos entre otros.
Ingeniero José Ricardo Pineda Rodríguez TITULO ACADEMICO: Ingeniero Civil FORMA DE COLABORACIÓN: Orientación investigativa
Ingeniero Carlos Flórez TITULO ACADEMICO: Ingeniero Civil FORMA DE COLABORACIÓN: Orientación investigativa
Luz Stella Sarmiento TITULO ACADEMICO: Ingeniera Química FORMA DE COLABORACIÓN: Orientación Teórica
Ingeniero Oscar Dalos TITULO ACADEMICO: Ingeniero civil FORMA DE COLABORACIÓN: Orientación en el laboratorio
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER AREA: Departamento de Geotecnia y Minería RECURSOS APORTADOS: Aporte Informativo de investigaciones realizadas, Acceso a laboratorios.
7. RECURSOS DISPONIBLES 7.1 RECURSOS MATERIALES: Implementos con los que cuentan los Laboratorios Civiles de la Universidad Francisco de Paula Santander.
7.2 RECURSOS INSTITUCIONALES La Universidad Francisco de Paula Santander y demás instituciones públicas o privadas que se interesen en el proyecto.
7.3 RECURSOS FINANCIEROS Contamos con la posible financiación de la Universidad Francisco de Paula Santander.
8. CRONOGRAMA
9. PRESUPUESTO
PERSONAL INVESTIGADOR Grupo investigador Auxiliar de investigacion (laboratorista) Total costos de personal
MATERIAL FUNGIBLE
CANTIDAD
SUELDO
COSTO ($)
12
5’600.000
67’200.000
8
60.000
480.000 67’680.000
CANTIDAD
VALOR UNIT.
COSTO ($)
Resma de papel
2
8.000
16.000
Cartucho
2
8.000
16.000
9. PRESUPUESTO
PERSONAL INVESTIGADOR Grupo investigador Auxiliar de investigacion (laboratorista) Total costos de personal
MATERIAL FUNGIBLE
CANTIDAD
SUELDO
COSTO ($)
12
5’600.000
67’200.000
8
60.000
480.000 67’680.000
CANTIDAD
VALOR UNIT.
COSTO ($)
Resma de papel
2
8.000
16.000
Cartucho
2
8.000
16.000
total
EQUIPO Computador Camara digital maquinaria de estudio de suelos Total de equipos
GASTOS VARIOS POR SERVICIOS fotocopias
32.000
CANTIDAD 1 1 15
VALOR UNIT.
COSTO ($)
1’200.000
1’200.000
300.000 100.000
300.000 1’500.000 3’000.000
CANTIDAD
VALOR UNIT.
COSTO ($)
1000
50
50.000
transporte
12
1’000.0000
12’.000.000
asesorias
1
1’500.000
1’500.000
Subtotal
13’550.000
TOTAL
84’262.000
10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
LOPEZ, Teresa. HERNANDEZ, Juan. HORTA, Jaima. CORONADO Leyda. CASTAÑO, Victor. Polímeros para la estabilización volumétrica de arcillas expansiva. [Revista Iberoamericana de Polímeros Lopez-Lara et al.].Volumen (11)3. México. Universidad Autónoma de Querétaro, Mayo 2010.PDF.450, 36 KB. Disponible en internet:
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