GEOTECNIA
U 3. Evaluación de los problemas del terreno Ana María Olalla A. Abril – Julio 2018
CONTENIDO DEL CURSO DE GEOLOGÍA GEOLOGÍA UNIDAD 3. EVALU EVALUACIÓN ACIÓN DE LOS PROBLEMAS DEL TERRENO
Efectos Ef ectos del agua; deformabilidad Estabilidad Subsidencia (hundimientos, asentamientos)
La presencia de agua y cualquier aumento en la presión del agua intersticial reducen significativamente la resistencia de la roca. El agua interrumpe los enlaces minerales y permite la ruptura de los cementos arcillosos en algunas rocas sedimentarias. La presión del agua en los poros actúa en oposición a la presión o esfuerzo en confinamiento; esto reduce el esfuerzo normal efectivo en situación triaxial; y por lo tanto reduce la resistencia al corte en situación de con onfi fina nami mien entto, im impo port rtan antte pr prop opie ieda dad d en ar arci cill llas as y suelos.
La saturación reduce ligeramente la porosidad y reduce en gran medida la cohesión aparente. El agua reduce en gran medida la resistencia de rocas sedimentarias débiles y porosas, pero tiene un efecto mínimo en rocas fuertes con baja porosidad.
La subsidencia o hundimiento es solo posible donde el material del terreno puede ser desplazado dentro de algún tipo de vacío subterráneo, lo cual puede ocurrir solo en ciertos tipos de rocas. Se diferencian: Macrovacíos: grandes cavidades muy comunes, resultado de disolución de calizas; otras menos comunes en otros tipos de roca como en la sal de roca e inclusive en los basaltos; cavidades por minado subterráneo de cualquier roca de interés económico. Microvacíos: rocas muy porosas y deformables; considerable en arcillas, en turbas, algunos limos y arenas; en rellenos y terrenos retrabajados de manera natural o artificial.
El hundimiento no puede ocurrir en roca sólida, no minada, excepto por falla por cizallamiento y desplazamiento rotacional por carga excesiva en superficie, o por desplazamiento de tierra en los perfiles favorables. Todas las rocas se compactan bajo carga; la lutita o la arenisca débil pueden compactarse lo suficiente como para provocar el asentamiento de las estructuras.
HIDROCOMPACTACIÓN DE SUELOS COLAPSABLES Algunos suelos finos colapsan debido a la restructuración que ocurre cuando se saturan por primera vez; esta hidrocompactacion puede causar hundimiento debido a una reducción de un 15% del espesor del suelo. El colapso se debe a la pérdida total de cohesión, por la ruptura de los enlaces frágiles de las arcillas o de la disolución de un cemento soluble.
. . . HIDROCOMPACTACIÓN COLAPSABLES
DE
SUELOS
Suelos con alrededor del 20% de arcillas, sedimentos aluviales depositados por inundaciones en cuencas semiáridas, rellenos artificiales pueden presentar colapso por saturación.
. . . Hidrocompactación de suelos colapsables El potencial de colapso Es mayor en suelos con densidad seca < 1,5 t/m 3, límite líquido < 30, y contenido de humedad < 15%, en zonas de clima seco. El colapso del suelo puede ser inducido antes de la construcción mediante el pre-humedecimiento a través de las inundaciones.
Subsidence: subsidencia Stress: esfuerzo, carga Wetted: humedecido Natural moisture: humedad natural
Tomado de Waltham, T. 2009
Collapsible: colapsable Stable: estable Liquid limit: Límite Líquido LL
Subsidencia de la sal de roca Con la circulación de aguas subterráneas la sal se disuelve lo suficientemente rápido como para causar una subsidencia natural lenta. La mayor parte de la disolución toma lugar en el tope de la roca, debajo de la capa permeable, por lo que se forma una brecha residual de la roca intercalada con la sal. Los vacíos que se forman, colapsan antes de hacerse grandes. Las subsidencias lineales se localizan sobre “corrientes de salmuera”. Debe controlarse la minería de solución profunda (salmuera controlada) y en sal seca.
Subsidencia del yeso El yeso puede ser removido y disuelto de manera natural. La disolución es más lenta que la de la sal, pero más rápida que la de la caliza (roca que puede disolverse dentro del tiempo de vida de una estructura construida). El tope de roca puede ser disuelto por el agua subterránea, por lo que no son seguros para los cimientos a largo plazo. Las cavidades son más pequeñas y menos comunes que en las calizas fuertes, pero pueden crear un peligro significativo donde la roca débil del techo colapsa fácilmente para crear dolinas.
Subsidencia por cuevas naturales Las cuevas naturales son comunes en calizas y yeso, y raras en otras rocas. Los basaltos pueden tener cavidades tipo tubo. Son reconocibles o deducibles en mapas geológicos; deben ser consideradas porque pueden ser rasgos regionales no continuos.
Subsidencia tectónica El hundimiento de la corteza puede causar una subsidencia muy lenta; se combina con el aumento del nivel del mar para causar inundaciones costeras. (Londres se hunde 1 a 2 mm al año) Los deltas grandes tienen pandeo en la corteza y compactación de sedimentos, lo que provoca un hundimiento de hasta 8 mm al año.
Subsidencia en la turba La turba puede contener diez veces su propio peso de agua; por lo que puede reducirse entre un 10 y un 75% bajo carga. Cuando la carga excede su baja resistencia al corte, la turba también se asienta y se propaga o dispersa. Los asentamientos muy altos son normales; el coeficiente de compresibilidad mv > 1,5 m2/MN. El drenaje de la turba causa un hundimiento de la superficie de hasta el 60% de la disminución de la altura del agua subterránea; y menos en un drenaje posterior.
. . . Subsidencia en la turba La pérdida, por oxidación de la biomasa sobre la tabla de agua, continúa a una lenta velocidad dependiendo del clima; causa una disminución de la superficie y una gran pérdida de tierras agrícolas; La resistencia de la turba no drenada es insignificante; la turba drenada puede tener un RCS = 20 a 30 kPa, y un E = 100 a 140 kPa. La turba consolidada por la carga estructural gana resistencia; puede alcanzar SBP = 50 – 70 kPa. La consolidación primaria tiene lugar en días; la etapa secundaria puede durar años. Los ensayos de laboratorio y la predicción de consolidación son obstaculizadas por la variabilidad de la turba y las dificultades de muestreo.
Licuefacción sísmica La arena puede licuarse debido a una pérdida temporal del estrés efectivo durante el período de vibración del sismo; si es:
Uniformemente gradada, con tamaño de grano < 0,7 mm. Pobremente empaquetada densidad relativa.
o
consolidada
con
baja
Si está debajo del nivel freático a poca profundidad.
Las zonas de peligro pueden definirse por SPT, especialmente cuando los valores de N < 20, a 10 m de profundidad. La licuefacción causa la pérdida total de resistencia durante el período de vibración.
Subsidencia en las arcillas Las arcillas tienen alta porosidad con granos deformables de minerales de arcilla; por lo que tienen un alto potencial de compactación. La compactación genera disminución de volumen por consolidación, debido a la expulsión de agua (consolidación primaria), seguida de una consolidación secundaria donde ocurre una restructuración. La consolidación de la arcilla provoca el hundimiento de la superficie y el asentamiento de las estructuras se incrementa con las cargas impuestas o la pérdida de agua drenada. El hundimiento es mayor en arcillas gruesas con alto contenido de esmectita (mineral de arcilla) y bajo contenido de limo, y de edades jóvenes con una mínima historia de sobreconsolidación.
Subsidencia en las arcillas La capacidad de carga de las arcillas está en un rango entre los 50 a 750 kPa. Depende principalmente del contenido de agua. Las arcillas más antiguas, las lutitas y las limolitas son más fuertes y menos compresivas; pueden tener una capacidad de carga aceptable (SBP) = 2000 kPa.
ASENTAMIENTO La arcilla se consolida por la carga estructural impuesta. Todas las arcillas causan algún grado de asentamiento. El agua es “exprimida” por el esfuerzo o carga aplicada. El hundimiento de la tierra y el asentamiento de la estructura dependen del contenido inicial del agua de la arcilla y del esfuerzo aplicado. El asentamiento modesto de los edificios puede fracturar drenajes frágiles.
CONTRACCIÓN La consolidación de la arcilla se acelera por la pérdida de agua. Todas las arcillas muestran algún grado de contracción. El agua es drenada, causando la disminución del volumen del suelo drenado y la pérdida de soporte de presión del agua intersticial. Por lo que es importante el control y la estabilización de la presión del agua intersticial en la arcilla.
CONTRACCIÓN - casos En Gran Bretaña, la acción de raíces, que alcanzan los 6 m, ha causado contracción de los 2 m del tope del suelo arcilloso, por absorción del agua del cinturón húmedo. A este efecto se ha sumado el bombeo del agua del cinturón húmedo que ha sido drenado de una excavación. Esto ha generado reclamos por daños a casas ubicadas sobre las arcillas.
ASENTAMIENTO DIFERENCIAL El asentamiento de una estructura es más serio cuando es diferencial. Comúnmente debido a la carga desigual, el cambio lateral del contenido de limo en el suelo, la pendiente del terreno, o el drenaje incontrolado. La inclinación de una estructura alta crea carga diferencial y luego acelera el asentamiento diferencial.
ASENTAMIENTO DIFERENCIAL – casos En 1920, el elevador de grano Trascona en Canadá, se inclinó 27° en un día, debido a que las arcillas de la base se compactaron de manera desigual sobre una roca inclinada. La Torre Inclinada de Pisa, con un campanario de 58 m de altura, pesa 14000 toneladas lo que ejerce una carga de 500 kPa sobre arcilla. Ocurrió un asentamiento principal y diferencial debido a la compactación y deformación de arcilla blanda, de espesor variable. La estabilización (2001) fue por hundimiento inducido controlado del lado norte con un contrapeso de 600 t de plomo.
ASENTAMIENTO DIFERENCIAL – casos Ciudad de México. Está construida sobre un lecho de un lago drenado en una cuenca rodeada por montañas de roca volcánica. Las arcillas jóvenes, comprimibles.
porosas
y
altamente
Todos los edificios sobre cimientos poco profundos se asientan severamente. (3 m).
SUBSIDENCIA REGIONAL La extracción de agua subterránea que excede la recarga natural provoca la disminución del nivel freático. La pérdida de la presión del agua intersticial dentro de las arcillas causa una subsidencia generalizada; significativa cuando el bombeo excesivo proviene de acuíferos de arena intercalados con acuitardos de arcilla. La formación de arena ocasiona una compactación pequeña, instantánea, elástica y recuperable de la arena. Luego ocurre el rebote elástico de la arena pero < 10 % del hundimiento original.
. . . SUBSIDENCIA REGIONAL La compactación de la arcilla es mayor, no elástica, no recuperable; ocurre cuando las presiones del agua subterránea se igualan entre la arena y la arcilla, con un retraso debido a la baja permeabilidad de la arcilla. La relación de hundimiento con la pérdida de carga varía con el tipo de arcilla: 1 : 6 en montmorillonita (ciudad de México) 1 : 250 en illita antigua consolidada (Londres) La subsidencia se detiene si las tablas de agua se recuperan.
. . . SUBSIDENCIA REGIONAL - casos En Venecia la subsidencia se ha detenido desde que se controló el bombeo de aguas subterráneas. Ciudad de México tiene 9 m de subsidencia en las arcillas intercaladas con arenas sobre-bombeadas. Actualmente Bangkok es la ciudad que se hunde más rápido, a > 10 cm / año. En Santa Clara Valley, California, se ha demostrado la correlación de la disminución de la capa freática con 4 m de hundimiento de suelo; ahora se ha detenido cuando se ha reducido el bombeo.
SUELOS EXPANSIVOS Suelos arcillosos que exhiben mayor hinchazón libre en la hidratación, y contracción similar en la desecación. Compuestos principalmente de montmorillonita, mineral de arcilla inestable que se asocia con el agua y causa la expansión de cristales; pero pierde agua fácilmente por drenaje o desecación. Las arcillas montmorilloníticas se forman principalmente por meteorización de rocas volcánicas en climas cálidos. En los EEUU los costos de daños por levantamiento en suelos expansivos exceden los costos combinados de terremotos e inundaciones.
