Suelos expansivos
- 1. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES INTRODUCCIÓN 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. Se estima que las pérdidas anuales a nivel mundial por daños en las construcciones sobre los suelos expansivos superan los dos billones de dólares. El interés en estos suelos ha llevado a la constitución, dentro de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones de un Comité Técnico para suelos expansivos, con la finalidad de impulsar estudios específicos en esta área, así como a la realización periódica de conferencias internacionales sobre la problemática de los suelos expansivos. En nuestro país el tema ha merecido permanentemente la preocupación de arquitectos e ingenieros ya que muchos daños causados en obras de arquitectura (sobretodo 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. II INFORME DE LABORATORIO
- 2. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES SUELOS EXPANSIVOS Concepto Se conocen como suelos expansivos, dado que sufren procesos de expansión y contracción. Éstos, al estar en clima estacional generan grandes grietas por donde migra elmaterial del suelo, hacia abajo y hacia arriba, son los suelos denominados Vertisolesque generan constante inestabilidad en las obras civiles. La utilización de estos suelos requiere condiciones especiales, tanto desde el puntode vista de la ingeniería como de la preparación para agricultura. Los problemas quese presentan en estos suelos son derivados más que todo por los cambios dehumedad; éstos a su vez pueden estar inducidos por las cambiantes condicionesambientales (épocas de sequía y de lluvia), efecto termo-ósmosis, fugas en lasconducciones de aguas, extracción de agua por la vegetación aledaña a laconstrucción. 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 II INFORME DE LABORATORIO
- 3. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES Los principales investigadores: Lambe Whitman (1959) Fu H. Chen (1975) Brackley (1975) Problemas presentados por estos suelos Los problemas que genera según la morfología del terreno, los materiales que loconstituyen y la intervención humana, son factores que influyen directamente en lasinundaciones; La topografía condiciona directamente la velocidad de flujo del agua,que es de una gran importancia puesto que pueden llegar a ser altamentedestructivas. La intervención humana, por su parte, es posiblemente, el factor que más influye enlas 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. II INFORME DE LABORATORIO
- 4. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES II INFORME DE LABORATORIO
- 5. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES II INFORME DE LABORATORIO
- 6. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES EN EL PERÚ II INFORME DE LABORATORIO
- 7. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS 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 la superficie de estos suelos cuando varía la humedad Identificación por su mineralogía Existen varios métodos para la identificación mineralógica y las mas 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 montmorillonita, compuestos por hidroaluminosilicatos. Los ensayos mineralógicos tienden a detectar la presencia de montmorillonita, 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. II INFORME DE LABORATORIO
- 8. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES Identificación por métodos indirectos Este tipo de identificación se basa en los ensayos de Limite de Atterberg, la contracción lineal, el contenido coloidal, cambio de volumen potencial (PVC), etc. Límite Líquido y Límite Plástico Investigadores como Seed, Woodward y Lundgren demostraron que las características plásticas de los suelos pueden ser usados como un indicador primario de la características expansivas de las arcillas. Es natural pensar en una relación como la antes mencionada ya que ambas dependen en la cantidad de agua que una arcilla absorbe. La relación entre las características plásticas y el hinchamiento de los suelos puede establecerse como: Si bien es cierto que todos los suelos altamente expansivos tienen plasticidades altas, no es cierto que los suelos con elevada plasticidad sean necesariamente expansivos. II INFORME DE LABORATORIO
- 9. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES Contenido de Coloides Dentro de los materiales que tiene un tamaño inferior a 74 micras están los limos y las arcillas. Desde el punto de vista del tamaño se considera arcillas aquellos materiales que tienen un tamaño inferior a 2 micras (0.002 mm), siendo necesario para su determinación la realización de un ensayo hidrométrico. La magnitud de la expansión que experimenta una arcilla está vinculada con la cantidad de partículas de tamaño arcilla presente en el suelo. Se ha establecido una relación del tipo: S = k CX Dónde: S = Hinchamiento potencial, expresado como % del hinchamiento de una muestra compactada a la humedad óptima y al P.U.S.M. segúnProctor Estándar. C = Porcentaje de fracción arcilla (partículas menores a 0.002 mm). x = exponente que depende del tipo de arcilla k = Coeficiente que depende del tipo de arcilla. x y k, que indican el tipo de partículas coloidales presentes se determinan a través de ensayos difracción por rayos X. Determinación de la expansión Libre Este ensayo consiste en colocar en una probeta normalmente cilíndrica un volumen conocido de suelo “seco” y sumergirlo en agua sin aplicación de sobrecarga alguna, mientras se mide la expansión. La diferencia entre el volumen final e inicial, expresado como un porcentaje del volumen inicial es la expansión libre. Esta medida de la expansión se realiza en condiciones muy desfavorables, ya que se hace en condiciones de ninguna sobrecarga y hoy en día se utilizan métodos más adecuados a tales efectos. Experimentos realizados por Holtz indican que una arcilla como la bentonita comercial puede tener en este ensayo expansión del orden de 1200 a 2000 %. Holtz sugiere que las expansiones medidas en este ensayo por encima del 100% pueden causar daños significativos a la estructura, mientras que suelos que alcanzan una expansión por debajo del 50 %, rara vez experimentan cambios de volúmenes apreciables bajo la aplicación de cargas estructurales, aún cuando estas sean provenientes de estructuras livianas. II INFORME DE LABORATORIO
- 10. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES EVALUACIÓN DEL POTENCIAL EXPANSIVO EN BASE A LOS MÉTODOS EXPUESTOS Existen varios métodos que realizando diversas combinaciones de los resultados de las medidas de las propiedades antes mencionadas clasifican en categorías los potenciales expansivos del suelo Método desarrollado por Holtz y Gibbs En el gráfico siguiente se muestra una relación típica entre el contenido de coloides, el Índice Plástico y el límite de contracción. Basado en las curvas presentadas Holtz propone el siguiente criterio para la identificación de suelos expansivos: II INFORME DE LABORATORIO
- 11. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES Método del “Índice de la actividad de la arcilla” propuesto por Seed, Woodward y Lundgren Está basado en muestras remoldeadas de suelo compuestos por mezcla de arcillas, bentonita, illita, caolinita y arena fina. La expansión se midió como un % del hinchamiento que experimentan probetas compactadas al 100 % del P.U.S.M. del Proctor Estándar y con el contenido de humedad óptimo y sometidas a una sobrecarga de 1 Psi La actividad de la arcilla se define como: A = PI / (C-10) IP: Índice Plástico C = % < 0.002 mm Métodos indirectos de determinación del potencial expansivo del suelo Estos métodos consisten en predecir el potencial expansivo del suelo de una forma cualitativa, en base a medidas directas de la expansión del suelo sobre muestras re moldeadas compactadas en condiciones prefijadas de humedad y densidad. Los métodos más utilizados son el de “ Ladd y Lambe” auspiciado por la Federal HousingAdministration y el método de “ PVC “ o método de la medida del cambio volumétrico. Métodos directos de la expansión del suelo. II INFORME DE LABORATORIO
- 12. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES 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: 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. II INFORME DE LABORATORIO
- 13. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES 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: Naturaleza y tipo de arcilla. La composición mineralógica de la arcilla (porcentajes de illita, caolinita y montmorillonita) que está compuesto la arcilla resultan fundamentales en cuanto al potencial expansivo del suelo. Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes de montmorillonita. 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. 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 pueden llegar absorber contenidos de humedad de 35 % con las consecuentes daños estructurales. II INFORME DE LABORATORIO
- 14. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES 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. 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”. Características plásticas del suelo Como ya fue explicado anteriormente las propiedades plásticas del suelo juegan un importante papel en el fenómeno expansivo 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. II INFORME DE LABORATORIO
- 15. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES 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. 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. II INFORME DE LABORATORIO
- 16. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES ¿COMO ACTUAR FRENTE A UN SUELO EXPANSIVO? Ante la presencia de un suelo potencialmente expansivo, las dos grandes líneas de acción serían: Actuar en el sentido de reducir o eliminar la expansión del suelo. Las diferentes formas de acción sobre el suelo se pueden agrupar en: Inundar el suelo en el sitio de manera que se produzca una expansión antes de la construcción Reducir la densidad del suelo mediante un adecuado control de la compactación. Remplazar el suelo expansivo por uno que no lo sea. Modificar las propiedades expansivas del suelo mediante diversos procedimientos: estabilización mediante cal, cemento, inyecciones, etc. Aislar el suelo de manera que no sufra modificaciones en su contenido de humedad. Actuar sobre la estructura y a través de la selección de un diseño de cimentación apropiado. En líneas generales se actúa en el sentido de rigidizar o flexibilizar de tal forma la estructura que sea capaz de absorber o adaptarse a las deformaciones resultantes. En el diseño del cimiento se tiende a una concentración de cargas de manera que la presión trasmitida al suelo sea capaz de controlar la deformación. II INFORME DE LABORATORIO
- 17. FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL U.N.C.P MECÁNICA DE SUELOS I SUELOS EXPANSIBLES RECOMENDACIONES Hasta ahora no se ha encontrado tendencias generales que nos permitan trabajar con ecuaciones universales es por eso que recomendamos trabajar por zonas de estudio, es decir cada zona, debería de tener su ecuación. Una de las recomendaciones más importante en este estudio es que si algún investigador desea caracterizar sus suelos expansivos debemos de resaltarle que se debe plantear de acuerdo a presión de expansión, mas no al grado de expansión, esto se debe a la existencia de zonas donde el grado de expansión era muy alto. II INFORME DE LABORATORIO