diseno de cimentaciones superficiales en suelos expansivos

MECANICA DE SUELOS APLICADA A CIMENTACIONES

EC 521G DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES EN SUELOS

EXPANSIVOS

ING. MANUEL F. CORREA MOROCHO

I. Generalidades

El problema de los denominados suelos expansivos alcanza décadas atrás, siendo reconocido al final de la década del 30.

La presencia en el Perú de "Suelos Expansivos" es evidente en la zona Norte y Sur. De aquí que se trata de dar un alcance y establecer el panorama real de la presencia de arcillas expansivas en un proyecto de cimentación, para luego tomar precauciones en el diseño estructural de las cimentaciones apoyadas en este tipo de suelo.

• 1ro EVALUACION CUALITATIVA

• 2da EVALUACION CUANTITATIVA

• Se traducen en : expansiones

• asentamientos

• Problemas mas gravas ocurren en construcciones ligeras, pavimentos de concreto, veredas, por el poco peso y porque generalmente no se estudio a fondo.

• Suelos expansivos.

• Es todo material que va en contacto con el agua experimenta cambios volumétricos significativos, que se traduce en movimientos del suelos de cimentación, que se transmiten a la estructura afectando su funcionamiento, por medio de grietas o fisuras o de rotura de instalaciones.

• Se dividen en dos categorías:

• COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS

• 1. Movimiento de una Construcción

• a) Movimiento Ascendente: Comienza después de terminada la obra, la construcción impide la evaporación del area, favoreciendo la saturación. Termina en 4 años aproximadamente.

• b) Movimiento cíclico de expansión de la construcción: Relacionado con la cantidad y frecuencia de la lluvia.

• c) Movimientos locales rápidos generados por rotura de tuberías que conducen agua

• La magnitud del asentamiento o expansión depende de:

• a) Espesor del estrato de arcilla expansiva.

• b) Cantidad y tipo de minerales arcillosos.

• c) Mezcla de las sobrecargas que recibe el estrato de arcilla y variación vs profundidad.

• d) Profundidad del nivel freático.

• e) Capacidad y Magnitud de succión del suelo.

• f) Relación de esfuerzo horizontal a vertical Ko.

g) Profundidad y naturaleza de los cambios de humedad. Estaciones

(clima).

• h) Fugas de agua en tuberías de drenaje o agua potable

II. Reconocimiento de los suelos

expansivos • Un suelo expansivo, implica no solamente la

tendencia a aumentar de volumen cuando aumenta el contenido de agua, sino también la disminución de volumen o contracción si el agua se va perdiendo.

• Una manera de poder observar si un suelo tiene potencial de hinchamiento o si presenta expansividad es mediante las siguientes metodologías:

II. Reconocimiento de los suelos expansivos

• Análisis Mineralógico : es determinar las propiedades básicas de las arcillas, mediante técnicas adecuadas de laboratorio, los minerales que conforman la arcilla se pueden evaluar cuantitativamente.

• Método de los índices: Los ensayos de propiedades índices del suelo pueden ser usados para la evaluación del potencial de hinchamiento de los suelos expansivos.


• Método de los índices

Estos ensayos son fáciles de realizar y deberían ser incluidos en los ensayos rutinarios en la investigación para un estudio de mecánica de suelos en aquellas áreas donde existen antecedentes de presencia de suelos expansivos. Podrían incluir los siguientes ensayos estándar.

Límite líquido ........ (LL).

Límite plástico........ (LP).

Límite de contracción... (LC).


• Holtz y Gibbs (1956): demostraron que el índice plástico y el límite líquido son índices útiles para determinar las características de expansión de las arcillas.

El grado de peligrosidad

que ofrecen las arcillas

ha sido correlacionado

por Holtz y Gibbs en 1954

por medio de su límite de

contracción según el

cuadro, que durante un

tiempo fue muy usada.

Límite de

contracción

Peligro de

Hinchamiento

<10

Crítico

10 – 12

Marginal

>12

No crítico


• Seed, Woodwuard y Lundgren: Considerando que el potencial de hinchamiento está definido como el porcentaje de hinchamiento de una muestra confinada lateralmente, la cual ha sido humedecida bajo una carga de 1.0 lb/pul2 después de ser compactada a la máxima densidad seca y al óptimo contenido de humedad, siguiendo la Norma del ensayo Proctor Modificado ASTM-D1557. Estos autores establecieron la siguiente relación:


• Estos autores establecieron la siguiente relación:

• Donde :

• S = potencial de hinchamiento

• IP = Índice plástico

• K = 3.6 x 10-5 (constante)

PI* K* 60 = S 2.44


• Una relación entre el potencial de hinchamiento de las arcillas y el índice de plasticidad es como la que se presenta:

Indice de

plasticidad:%

Potencial de

hinchamiento

0 – 15

Bajo

10 – 35

Medio

20 – 55

Alto

<55

Muy alto

Según este cuadro se observa que a mayor índice de plasticidad se manifiesta mayor hinchamiento.


• Ranganathan y Stayanarayana: En 1965, dan una tabla para reconocer la potencialidad de la expansión, dando un nuevo índice de contracción; en donde este índice de contracción es obtenido como la variación del contenido de humedad correspondiente al límite líquido y al límite de contracción según la siguiente expresión:

• IC = LL - LC

• Donde:

• IC = Índice de contracción.

• LL = Límite líquido.

• LC = Límite de contracción.


• Con la expresión anterior tenemos la siguiente correlación:

Indice de contracción (%)

Potencial de hinchamiento

0 – 20

Bajo

20 – 30

Medio

30 – 60

Alto

>60

Muy alto


• G.F. Sowers: En 1961, propuso una correlación basándose en las propiedades índices de los suelos susceptibles a cambios de volumen.


• PRESION DE HINCHAMIENTO • David y Komornik (1969): , Propuso una ecuación que se

utiliza para calcular la presión de expansión. Esta se encuentra basada en un extenso análisis estadístico de más de 200 muestras de suelo; la ecuación propuesta por los autores es:

• Donde:

• Ps = Presión de hinchamiento ( kg/cm2 )

• LL = Límite Líquido (%)

• γd = Peso volumétrico seco (Ton / m3).

• Wo = Humedad Natural en porcentaje.

)W0.0269( - )( 0.665 + 0.0208(LL) + 2.132 = P 0ds Log


• VIJAYVERGIVA y GHAZZALY: en 1973 establecieron la relación que determina la presión de hinchamiento para suelos españoles y al menos es la más usada en España.

) 139.5 - LL 0.65 + 62.5 ( 19.5

1 = P d0 log


• Cálculo de la Presión de Hinchamiento

III. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA EVALUAR LOS SUELOS EXPANSIVOS

• Los métodos más satisfactorios y convenientes para determinar el potencial de hinchamiento y presión de hinchamiento de arcillas expansivas, es por medio de las mediciones directas. Estas mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio.


ENSAYO DE EXPANSION LIBRE

• El ensayo de expansión libre consiste en colocar una muestra de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son definidas adicionando agua, la cual se anota el hinchamiento vertical en función del tiempo sin la aplicación de ninguna carga.

• Holtz en 1956 presentó el ensayo como una prueba muy sencilla para reconocer una arcilla expansiva.


• ENSAYO DE EXPANSION LIBRE

• Lo que se busca en el ensayo de expansión es el porcentaje de hinchamiento libre, que es la diferencia en el volumen final e inicial, expresado como porcentaje del volumen inicial así:

• Donde:

100* V

V - V = h%

i

if

L

libre tohinchamien = hL inicial Volumen = V ifinal volumen = V f

,

,


• ENSAYO DE EXPANSION LIBRE • Se presenta a continuación los resultados de un ensayo como se muestra a

continuación

POZO: C-2 MUESTRA: MI-1 PROF. (m): 1.90-2.10

CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN

Diámetro del anillo(cm) 6.350

Altura de la muestra inicial (cm) 2.540

Altura de la muestra final (cm) 2.780 Cont. de humedad inicial(%) 8.280

Cont. de humedad final (%) 21.37

Densidad húmeda inicial (gr/cm3) 1.789

Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.508

Densidad húmeda final (gr/cm3) 1.830

Densidad seca final (gr/cm3) 1.652


• ENSAYO DE EXPANSION LIBRE

• CUADRO DE RESULTADOS


ENSAYO DE EXPANSION BAJO CARGA CONTROLADA.

• Se realiza este ensayo preparando el espécimen de un suelo inalterado, colocando dicha muestra en un anillo de dimensiones definidas para luego ensayarla en un consolidómetro, con la ayuda del marco de carga y el dial de deformación, se procede a registrar la fuerza de control y el hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra.

• La presión de expansión que se obtenga al final es la medida de la fuerza máxima por unidad de área que pueda producir el suelo en condiciones de expansión extrema es la presión de expansión bajo carga controlada a continuación se presenta un ensayo.

• Metodología: Existen tres métodos a realizar el ensayo


ENSAYO DE EXPANSION CONTROLADA • ENSAYO 1 • POZO : P-3 • MUESTRA : MI-1 • PROF. (m) : 1.90-2.10 • • CARACTERISTICAS DEL ESPECIMEN • Diámetro del anillo(cm) 6.350 • Altura de la muestra inicial (cm) 2.540 • Altura de la muestra final (cm) 2.628 • Cont. de humedad inicial(%) 10.00 • Cont. de humedad final (%) 35.60 • Densidad húmeda inicial (gr/cm3) 2.002 • Densidad seca inicial (gr/cm3) 1.820 • Densidad húmeda final (gr/cm3) 2.385 • Densidad seca final (gr/cm3) 1.759


• CUADRO DE RESULTADOS

IV. CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD PORTANTE

En la figura adjunta: La cimentación se encuentra apoyada en un suelo con características expansivas donde:


• Donde:

• df : Nivel De desplante de la cimentación,

• Pc : Presión de contacto

• Pexp . Presión de expansión

• P : Carga que transmite la super – estructura a la cimentación

• B : Ancho del cimiento

• qadm : Capacidad portante admisible del suelo

• Criterios:

• Pc ≤ qadm

• Pc ≥ Pexp

• Pc = P / B*L

diseno de cimentaciones superficiales en suelos expansivos

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