expansion y colapso en suelos

EXPANSION Y COLAPSO DE SUELOS – MECANICA DE SUELOS – UNIDAD 2

EXPANSION Y COLAPSO EN SUELOS

La mayoría de los suelos inestables están asociados a los problemas de cambio de volumen, sea por asentamiento o expansión. En estos suelos los asentamientos no se deben exclusivamente a cargas externas sino también al cambio de ambiente de agua subterránea. Asimismo los asentamientos o expansiones están asociados tanto a procesos puramente mecánicos como a mecanismos fisicoquímicos o químicos. El presente documento aporta detalles sobre la estimación de expansión y colapso en suelos.

SUELOS EXPANSIVOS

ANTECEDENTES: Los suelos expansivos son arcillas plásticas que por su alto contenido de minerales arcillosos, tales como montmorilonita y esmectita, experimentan grandes cambios de volumen al modificar su humedad; dichos suelos están caracterizados por un comportamiento cíclico de expansión y contracción al incrementar y reducir su contenido de agua, respectivamente. De modo que todos los suelos cohesivos se expanden o contraen con el cambio de humedad. La diferencia entre los suelos comunes y los expansivos radica en que los cambios de volumen en estos últimos llegan a alcanzar niveles que generan daños a las obras construidas sobre ellos. De acuerdo a la estimación realizada por Jones y Holtz (1973), los daños reportados en casas habitación, pisos, banquetas, áreas de almacenamiento, carreteras y calles, entre otras obras, y atribuidos a suelos expansivos ascienden a más de dos mil millones de dólares anuales, costos que exceden a los causados por inundaciones, huracanes, sismos y tornados.

Se han encontrado suelos expansivos en diferentes partes del mundo, incluyendoMéxico. Algunos de los estados del país donde se ha identificado el problema son:Querétaro, Guanajuato, Michoacán, Tamaulipas, Morelos, Baja California, Veracruz, Chiapas, Campeche, Sonora y Sinaloa (Zepeda y Pérez, 1995). Zepeda y Castañeda (1987) indicaron que el 25% de la superficie del país está cubierto con vertisoles como suelo principal; considerando que la mitad de ese porcentaje corresponde a condiciones ambientales que inducen el fenómeno de expansión de suelo se puede afirmar que aproximadamente un 12% del territorio nacional está constituido por depósitos arcillosos potencialmente expansivos.

La mecánica de suelos tradicional se ha enfocado principalmente a resolver problemas geotécnicos en suelos surgidos en ambientes de formación geológica aluvial y lacustre, donde se pueden considerar totalmente saturados. A medida que se expanden centros urbanos e infraestructura de transporte e industrial a regiones

1PROFESOR: ING. MARCO ANTONIO BERUMEN RODRIGUEZ


áridas y semi-áridas, los problemas que se generan son relativos a suelos no saturados, siendo el de carácter expansivo uno de ellos. Se requiere, por ello, de conocimientos nuevos que la mecánica de suelos tradicional poco aborda y que hoy en día apenas se comienzan a investigar y difundir.

Los materiales de consulta más detallados se pueden encontrar en la literatura. Es importante mencionar que, en lo referente al estudio de la mecánica de suelos no saturados y, particularmente de suelos expansivos, México cuenta con un centro de investigación que agrupa varios investigadores establecidos alrededor de la ciudad de Querétaro, especialmente de la Universidad Autónoma de Querétaro, donde se llevan a cabo investigaciones experimentales y analíticas y desarrollos tecnológicos sobre el tema, contando asimismo con un importante acervo bibliográfico.

MECANISMOS DE EXPANSIÓN Y SUS EFECTOS

Mecanismos

Los mecanismos que inducen grandes cambios de volumen en suelos expansivos son múltiples y complejos, los cuales pueden integrarse, a grandes rasgos, en dos tipos: mecánico y fisicoquímico; ambos interactúan entre sí y son indispensables para que tenga lugar el fenómeno de expansión en el suelo.

a) Mecanismos mecánicos

Los suelos expansivos siempre se encuentran en un estado de saturación parcial, para el cual los poros del suelo están llenos de aire y agua. La presencia del aire y el agua en los poros del suelo puede tener varias formas dependiendo del grado de saturación en el cual se pueden considerar tres casos: de aire entrapado, doblemente abierto y de agua encerrada (Ver figura 2.2). En el sistema de agua encerrada el grado de saturación es menor que 30% y la fase líquida está adherida, en forma discontinua, a la fase sólida, de manera que los esfuerzos en aquella fase se transmiten solamente a través de los contactos intergranulares. En el sistema de aire entrapado, el grado de saturación puede llegar a ser mayor que 90% y las burbujas de aire están aisladas dentro de la fase líquida sin tener contacto con la fase sólida. En estos dos casos extremos, el suelo, aunque físicamente es de tres fases, puede considerarse de dos fases desde el punto de vista de la mecánica de suelos: el de agua encerrada es de sólido-aire, y el de aire entrapado, de sólido-agua. Para un amplio intervalo intermedio del grado de saturación, el suelo que



resulta del sistema doblemente abierto tiene tres fases y todas ellas pueden transmitir sus esfuerzos de manera continua. La mecánica de suelos no saturados moderna, generalmente, estudia este tipo de suelo.

En los tres sistemas mencionados, el agua está sujeta a una presión de poro negativa, o bien, una presión por debajo de la presión atmosférica o de la presión de la fase gaseosa. Esta presión de poro negativa se llama presión capilar o succión. La succión total del suelo consiste en dos partes: succión mátrica o capilar y succiónosmótica. La primera se debe principalmente al fenómeno de capilaridad, mientras la segunda, al efecto de sales sueltas en el agua de poro. La succión mátrica depende principalmente del tamaño de partículas del suelo, por lo que entre más fino sea el suelo, mayor succión se desarrolla.

Si bien estos modelos son válidos paras suelos granulares finos, no son suficientes para explicar la muy alta succión que se presenta en suelos cohesivos. En los que, además de la capilaridad, existe la adsorción formando envolventes de hidratación sobre superficies de las partículas del suelo. La presencia del agua adsorbida está influenciada por la doble capa eléctrica y por los cationes intercambiables, los cuales están relacionados a su vez con el otro mecanismo que se tiene en el suelo expansivo, el fisicoquímico.

La succión en suelos no saturados se puede medir mediante varios dispositivos y pruebas. Una de las pruebas más recomendadas es el uso del tensiómetro. Para problemas geotécnicos, la importancia de la succión se refleja en dos aspectos: la capacidad de absorción del agua y las características del cambio volumétrico.

La migración del agua en suelos no saturados está controlada por la humedad: elagua se mueve desde el lugar donde se tiene un grado de saturación mayor a otrode menor grado con o sin la fuerza de gravedad. Los suelos con un potencial de



succión mayor absorberán más cantidad de agua; los suelos finos tienen una mayorcapacidad de absorción del agua que las arenas, independientemente del tipo ycantidad de minerales que contienen.

Por otro lado, al humedecer el suelo, la disminución de la succión reduce también su esfuerzo efectivo, haciendo que el suelo logre una recuperación elástica. Estaexpansión elástica, junto con la contracción por secado, puede entenderse en términos de los modelos de compresibilidad.

Sin embargo, para los suelos expansivos, dicha expansión elástica constituye una parte muy pequeña de su expansión total debido a que la mayor porción de ésta tiene esencialmente un carácter fisicoquímico y no meramente mecánico. La magnitud de la expansión y contracción depende de la humedad inicial. Si la humedad del suelo en su estado natural es menor que la humedad correspondiente al límite de contracción, un secado posterior no producirá una contracción apreciable; si está más húmedo, la contracción máxima posible será equivalente a la diferencia entre la humedad real y el límite de contracción. Durante el proceso de saturación, se liberará una mayor succión en suelos secos, lo que trae como consecuencia una mayor recuperación elástica; los suelos húmedos, en cambio, expanden menos.

b) Mecanismos fisicoquímicos

La succión está presente en todos suelos cohesivos no saturados, pero no todos deestos son expansivos. La succión por sí sola no explica el gran cambio de volumenque se presenta en suelos expansivos, por lo que el mecanismo fisicoquímico nodebe menospreciarse. Los suelos expansivos tienen la capacidad de absorber grandes cantidades de agua, las cuales generan un hinchamiento en la masa delsuelo. Desde el punto de vista mineralógico, dicha capacidad de absorción del aguay su respectivo cambio de volumen dependen del tipo y cantidad de mineralesarcillosos y sus iones intercambiables, así como el contenido y la estructura internade electrolitos en la fase líquida.

Los minerales arcillosos se forman a partir de un proceso de alteración de las rocas;la alteración incluye desintegración, oxidación, hidratación y lixiviación. La combinación de la roca y las condiciones de alteración crean diferentes tipos demineral arcilloso. Por ejemplo, la montmorilonita se produce en un ambiente deextrema desintegración, fuerte hidratación y una lixiviación limitada. El ambiente de su formación es alcalino con la presencia de magnesio; las lluvias moderadas sepresentan en relación directa a cambios estacionales, dando como resultado una



evaporación mayor que la precipitación. El agua es suficiente para el proceso dealteración y al mismo tiempo los cationes acumulados no pueden removerse porlluvias torrenciales, condiciones que se presentan en regiones semi-áridas y favorables para la formación de montmorilonitas.

Cuando el agua, diluye la concentración de iones presentes entre las partículas arcillosas e incrementa la de cationes, da como resultado un aumento de la distancia entre las mismas; la expansión de la capa difusa produce una presiónde repulsión entre las partículas coloidales, la cual se puede considerar como unapresión osmótica y está relacionada directamente con la presión de expansión quese observa macroscópicamente. Si esta fuerza repulsiva no está balanceada con una presión externa, el volumen del suelo se incrementa generándose el fenómeno de expansión. Como se puede observar, tanto las condiciones de saturación parcial como el contenido de minerales coloidales son indispensables para que suceda el fenómeno de suelo expansivo.

Un suelo no saturado sin montomorilonita, tal como la mayoría de los suelos cohesivos, no tiene problemas de expansión; igualmente, una arcilla saturada, aun con alto contenido de montomorilonita, no tiene problemas similares a los que tienen los suelos expansivos. La arcilla del Valle de México es uno de estos casos, misma que es altamente compresible y al mismo tiempo posee una marcada característica expansiva, pero sin llegar a generar daños severos como otros suelosexpansivos, porque el hecho de que el suelo está totalmente saturado impide laabsorción de una gran cantidad adicional de agua. En la literatura se disponenmodelos de suelo en los que se trata de explicar el comportamiento de suelos nosaturados en términos de fuerzas mecánicas. Estos modelos no son los adecuadospara ser aplicados a suelos expansivos



Efectos dañinos: Los suelos expansivos generan daños a estructuras causados por el movimiento del suelo a consecuencia del cambio de humedad; cuando el suelo está confinado lateralmente el potencial de expansión se traduce en un empuje lateral. Se distinguen cinco tipos de efectos dañinos. a) Movimiento céntrico b) Movimiento perimetral c) Movimiento cíclico d) Empuje lateral y e) Agrietamiento de suelo

a) Movimiento céntricoOcurre en la parte central de una estructura en una forma de domo con su valormáximo en el centro. El movimiento no es brusco y se desarrolla durante varios años, mismo que está asociado con una reducción en la evapotranspiración. La construcción de la estructura rompe el equilibrio en las condiciones de evaporación y elimina la presencia de vegetación, de manera que la humedad se acumula en elsubsuelo. La figura 2.10 muestra el patrón de daños que comúnmente se observanen estructuras ligeras construidas con base en muros de tabique. Las grietas se presentan en forma vertical, horizontal y diagonal, siendo ésta última desde la parte central inferior de la estructura hacia sus esquinas superiores. El ancho de lasgrietas es mayor en la parte superior cercana al techo; éste restringe la propagación de grietas verticales generando grietas horizontales adicionales a lo largo del contorno del techo. Los daños son severos y progresivos en regiones cuyo clima es semiárido, caluroso y seco, y que el nivel freático se encuentra profundo.



b) Movimiento perimetralForma un patrón de disco en la periferia de la estructura. El retiro de vegetación preexistente y encharcamiento en la inmediación de sitios de construcción causan un aumento de humedad en el subsuelo; los efectos dañinos se observan con prontitud después de la construcción. El levantamiento de las esquinas de la estructura genera grietas horizontales, verticales y diagonales, siendo estas últimas desde las esquinas inferiores hacia la parte central superior (figura 2.11). El ancho de la grieta es mayor en la parte inferior de la estructura.



c) Movimiento cíclicoEl movimiento está asociado con el cambio cíclico de expansión y contracción en que el drenaje, la precipitación y la evapotranspiración generan pérdida o incremento de humedad en el subsuelo. El movimiento está controlado por fugas de agua locales, cambio climático estacional o efectos de desecación de las vegetaciones cercanas a la estructura. Los daños son más severos cuando el suelo posee una buena permeabilidad en el que intensas lluvias generan levantamientos perimetrales. El patrón de daños en los muros de tabique no son bien definidos, presentándose generalmente grietas diagonales cruzadas.

En la tabla 2.3 se presenta una clasificación de daños estructurales de acuerdo conel ancho de las grietas y la correspondiente expansión del terreno.

d) Empuje lateral: La expansión del suelo es un fenómeno de cambio de volumen, por lo que genera movimientos del terreno en todas las direcciones. Los



movimientos horizontales del terreno se notan de dos maneras: el movimiento o inestabilización de un talud o empujes laterales sobre un muro de contención. Dependiendo del potencial de expansión, los empujes laterales generados por el aumento de humedad pueden alcanzar grandes magnitudes.

e) Agrietamiento de suelo

Como la tensión capilar se ejerce en todas direcciones, la contracción se producevertical y horizontalmente. La contracción horizontal del suelo genera esfuerzos de tensión en la misma dirección; si este esfuerzo rebasa la resistencia a la tensión delsuelo que es de baja a nula, se forman grietas de secado, las cuales son todavíamás peligrosas que un simple cambio de volumen. Estas grietas reducen confinamiento lateral a las estructuras, propician la acumulación de agua y disminuyen el factor de seguridad contra la estabilidad de un talud.

Fuentes de saturación

Las fuentes de saturación que modifican las condiciones de humedad del terreno son tan variadas y complejas que se pueden clasificar en tres tipos: condiciones deentorno, construcción y otras causas.

a) Condiciones del entorno

Las variaciones considerables en el clima, tales como prolongada sequía e intensaslluvias, generan cambios cíclicos de humedad que originan movimientos perimetrales en estructuras. El cambio en la profundidad del nivel freático también modifica el contenido de agua original del terreno. En algunos suelos, las reacciones químicas producen cambio en la humedad.

b) ConstrucciónLas actividades de construcción pueden aumentar la humedad del suelo. Las áreascubiertas reducen la evaporación natural y transpiración de la vegetación; el aumento de humedad es notable en sitios donde se han talado árboles que tienen un extenso sistema de raíces. EL incremento de la humedad también se debe a un drenaje superficial inadecuado, encharcamiento, cunetas pluviales y bajadas pluviales, así como a la filtración hacia subsuelos de cimentación en la interfaz suelo-cimentación y a través de excavaciones para sótanos o losas de cimentación.Durante la excavación, los suelos de cimentación tienden a secarse y pierden supresión confinante; ambos efectos incrementan el potencial de expansión. Los



acuíferos que han sido perforados durante la construcción también incrementan lahumedad del suelo.

c) Otras causas

Otras causas que modifican la humedad del suelo son: riego de céspedes, crecimiento de vegetación masiva cercana de la estructura, secado de suelo cercano a un área de calefacción, así como la fuga de agua subterránea o líneas de desagüe.

Ante una misma fuente de saturación, los mismos suelos no responden de igualmanera, ya que su expansión depende adicionalmente de su contenido de aguanatural o inicial. Los suelos secos tienen un potencial de expansión mayor que loshúmedos. Una forma de clasificar la humedad del suelo en cuanto a su potencial de expansión es comparar el contenido de agua natural w, el límite de plasticidad LP y las condiciones del suelo: el suelo es seco si w < LP y el suelo es húmedo si w > 1.2 (LP).

MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓNIdentificación en campo, métodos mineralógicos, métodos indirectos y métodos directos.

Identificación en campoAlgunos indicadores de la presencia de los suelos expansivos son:a) Grietas de secado. Las grietas aparecen en la superficie de terreno durante periodos de sequía, con un arreglo geométrico del tipo poligonal, frecuentemente de gran dimensión. La resistencia del suelo seco es alta (evitar confusiones).b) Plasticidad. Es relativamente fácil hacer un rollo sin triturarlo.c) Espejos de fricción. Las superficies de suelos recientemente expuestas al airemuestran abundantes fisuras y espejos de fricción.d) Textura. Los suelos son resbalosos y tendientes a pegarse a zapatos o llantasde vehículos cuando están húmedos.e) Daños estructurales. La observación de grietas y distorsiones en las estructuras vecinas indican el potencial de expansión.

Métodos mineralógicosLa composición mineralógica tiene una influencia fundamental sobre el potencialexpansivo de suelos. Las cargas eléctricas negativas existentes en la superficie deminerales arcillosos, la resistencia de ligas entre capas y la capacidad de intercambio catiónico contribuyen al potencial expansivo. Es posible identificar la



expansividad de las arcillas al conocer su constitución mineralógica. Se dispone de varias técnicas, tales como difracción rayo X, análisis térmico diferencial, análisis químico y microscopio electrónico.

El procedimiento de difracción rayo X es el más utilizado. Consiste en determinar las proporciones de diferentes minerales arcillosos comparando las intensidades delíneas de difracción con aquellas definidas en substancias estándares. La identificación mineralógica, particularmente la interpretación de resultados parauso ingenieril, requieren de conocimientos y experiencias que no tiene generalmente un geotecnista, por lo que se debe acudir a expertos en el tema.

Métodos indirectosSe han desarrollado varios métodos de acuerdo con sus propiedades índice paraclasificar suelos expansivos.

a) Propiedades índice

Holtz y Gibbs (1956) utilizaron el límite de contracción y el índice de plasticidad para catalogar tres niveles en el cambio de volumen (tabla 2.4).

El límite líquido también ha sido utilizado junto con el índice de plasticidad para definir tres niveles en el potencial de expansión (tabla 2.5)

Las propiedades índice, particularmente los límites de Atterberg, han sido utilizados por mucho tiempo para identificar de manera sencilla las características expansivas



de las arcillas. Sin embargo, las correlaciones empíricas mencionadas y otras que se han reportado en la literatura (como las figuras que se anexan al final), tienen un marcado carácter empírico que atiende solamente a experiencias locales y su extrapolación a otros sitios no es del todo confiable. En la figura 2.14 se presenta la clasificación unificada de suelos expansivos y colapsables, que fue desarrollada por el Bureau of Reclamation, E.U.A. utilizando como parámetros índice peso volumétrico seco y límite líquido

b) Método de PVC

PVC son las siglas en inglés del potencial de cambio volumétrico. Este método fue desarrollado por Lambe en 1960. Las muestras son primeramente compactadas en un consolidómetro de anillo fijo con una energía específica de 270 ton-m/m3. Después se aplica una presión inicial de 15 kg/cm2. Se agrega el agua a la muestra, la cual está parcialmente restringida de la expansión vertical por un anillo de carga. Después de dos horas se toma la lectura del anillo de carga, la cual se convierte en



presión, siendo designada esta como índice de expansión. Este último se transforma en potencial de cambio de volumen mediante una carta establecida por Lambe.

c) Método de la actividad

El método de la actividad fue propuesto por Seed, Woodward y Lundgren (1962). La actividad se define como el cociente entre el índice de plasticidad y el porcentaje de partículas menores de 2 micras. Una vez conocida la actividad y el porcentaje de partículas arcillosas, se puede identificar el potencial de expansión mediante cartas de ayuda de este metodo.Métodos directos

La expansión se puede estimar por un ensayo parecido al de consolidación, en el cual se pueden obtener tres tipos de parámetros de suelo en cuanto a su expansividad: expansión libre, expansión bajo presión confinante y volumen constante.

a) Expansión libreEsta prueba se lleva a cabo saturando la muestra antes de aplicar la carga. Se aplica una pequeña presión inicial equivalente a 0.01 kg/cm2 por el peso de piedras porosas y la placa de carga; la muestra se satura con agua y se permite la expansión vertical. La expansión libre es el porcentaje de deformación después de que se establece la expansión primaria. Posteriormente, la muestra se somete a varios incrementos de carga hasta que se recupere su relación de vacíos que se tenía antes de la saturación. La presión total aplicada se define como presión de expansión. La prueba deberá continuar con cargas adicionales y subsecuentes descargas como lo establece una prueba de consolidación convencional.

b) Expansión bajo presión confinanteEsta prueba se lleva a cabo aplicando la carga antes de saturar la muestra. Se mide la deformación de la muestra saturada. Esta deformación puede resultar una expansión o una contracción, dependiendo de la magnitud de la presión aplicada. Generalmente la presión inicial es equivalente a la de confinamiento en campo, pero puede ser otro valor prefijado según los procedimientos de prueba establecidos. Deberá reportarse la expansión medida junto con la presión aplicada.

c) Volumen constanteDespués de haber aplicado una presión inicial, comúnmente equivalente a la deconfinamiento en campo, se registra la altura de la muestra, la cual se toma como



referencia. Se satura la muestra que tiende a expandirse o contraerse; se incrementa o se reduce la presión para lograr que la altura de la muestra sea la misma que la que se tomó como referencia. La presión final resultante es la de expansión. La prueba deberá continuar con cargas adicionales y subsecuentes descargas como lo establece una prueba de consolidación convencional.

Zona activa

La zona activa se refiere a la parte del estrato de suelo en donde ocurre el cambio de volumen en un periodo anual. El cambio de volumen se debe al cambio en las condiciones climáticas y en las condiciones de contorno después de haber efectuado la construcción. La profundidad de la zona activa Za es la mayor profundidad que puede alcanzar la zona activa; las distribuciones originales dehumedad y las de equilibrio son diferentes en la zona activa, pero coinciden debajo de dicha profundidad. Para fines de la estimación de la expansión del suelo deberán determinarse la profundidad de la zona activa y la distribución de succión métrica final o de equilibrio en dicha zona.

a) Profundidad de la zona activaDeberá estimarse la profundidad utilizando todos los criterios y seleccionar el valormáximo.

Para evitar la aparición de las patologías descritas, deberán seguirse una serie de recomendaciones generales a seguir tanto en proyecto como en ejecución y de las cuales deberán elegirse todas o algunas en función del caso particular.

Profundidad de apoyo. La solución de cimentación propuesta, deberá apoyar a una profundidad suficiente sobre las zonas del sustrato menos expuestas a los cambios



de humedad y oscilaciones del nivel freático (zapatas, pozos de concreto pobre, pilotes, etc), intentando evitar así las capas activas. Generalmente en nuestro país por debajo de 2.50- 3.50 metros no hay a priori problemas con cambios de humedad siempre y cuando no exista un nivel de agua o actuaciones antrópicas que produzcan dichos cambios.

Programas de exploración: Cuando se identifica o sospecha la existencia de los suelos expansivos, la campaña de exploración deberá planearse con una amplitud y profundidad mayor que en suelos no expansivos, considerando la heterogeneidad de este tipo de suelo. Se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:

• El número de sondeos deberá ser mayor de tres y deben localizarse preferentemente en las esquinas de la estructura.• La profundidad de los sondeos deberá ser mayor que la de la zona activa, loscuales deberán ser continuos en esta zona.• Debido a que el potencial de expansión del suelo depende de su humedad natural y ésta es cambiante durante un año, las muestras que serán utilizadas para la determinación del potencial de expansión deberán obtenerse al final de verano o comienzo de otoño, tiempo en que se espera un máximo potencial de expansión.• Se debe conservar el contenido de agua natural de las muestras de suelo al tiempo de minimizar los efectos de remoldeo. El empacado de las muestras debe ser inmediato, evitando la exposición al aire de las mismas.• Las mediciones de succión en el campo todavía no arrojan resultados confiables para el cálculo de expansión; será preferible realizar dicha medición en laboratorio con muestras representativas.

Control de humedad: Se deben diseñar detalles constructivos para minimizar la influencia del cambio de las condiciones de humedad sobre el terreno de cimentación teniendo en cuenta particularmente los siguientes aspectos:• Utilizar un sistema de riego por goteo para la vegetación, minimizando la cantidad de agua usada y manteniendo prácticamente constante la humedaddel suelo.• La bajada de agua pluvial y las canaletas de los techos no deberán acumular el agua cerca de la cimentación. Si es posible, se deberá dirigir el agua del techo a través de tuberías que descarguen a la calle o a otros lugares apropiados, manteniendo el agua lejos de la cimentación.• Construir, al menos, una banqueta de 2 a 3 m fuera de la cimentación o compactar el suelo aledaño de ella para que forme una superficie dura y menospermeable.



• El suelo o concreto fuera de la cimentación deberá tener una pendiente evitando escurrimientos hacia la construcción y que ayude a prevenir la filtración del agua hacia el suelo.

Cimentaciones superficiales: Las cimentaciones superficiales que se utilizan sobre los suelos expansivos incluyen zapatas aisladas, zapatas corridas y losas. Pérez y Olmos (1998) han presentando un buen resumen sobre el estado del arte en el diseño de cimentaciones sobre suelos expansivos, el cual es la base del contenido de ésta y la siguiente subsección.a) Zapatas aisladasLos suelos sobre los cuales están cimentadas las zapatas deben cumplir con las siguientes características:• Espesor no grande.• Potencial de expansión moderado, menor de 1%.• Presiones de expansión bajas.• Se dispone de un estrato de suelo no expansivo en el cual se alojan las zapatas.También se deberán aplicar técnicas especiales a fin de incrementar el esfuerzo de contacto y minimizar la expansión del suelo, algunas de las cuales son:• Disminuir el ancho de la base de la zapata.• Colocar el muro de cimentación directamente sobre el terreno sin zapata.• Proveer espacios vacíos entre las vigas de soporte y el muro para concentrar las cargas en puntos aislados, en los cuales también deberá cuidarse que no se exceda la capacidad de carga.• Incrementar el refuerzo en el perímetro y en los pisos para incrementar la rigidez de la cimentación.

b) Zapatas corridasEl empleo de las zapatas corridas deberá limitarse a suelos con potencial de expansión menor de 1%. Las zapatas deberán ser suficientemente angostas para proporcionar una presión de contacto adecuada.

c) Losas de cimentaciónLas losas de concreto reforzadas y rigidizadas con contratrabes en dos direcciones(corta y larga), han sido usadas exitosamente en estructuras relativamente pesadasque están cimentadas sobre depósitos de gran espesor donde los pilotes constituyen una solución poco económica.

Cimentaciones profundasLas cimentaciones profundas pueden ser pilotes o pilas, flotantes o de punta; todosellos tienen la función de transferir las cargas de la superestructura a un estrato de



suelo resistente, poco deformable y no expansivo. Para las cimentaciones sobresuelos expansivos, las pilas coladas in situ son más económicas que los pilotes hincados. Comparadas con las losas de cimentación, las pilas son más competitivas si su longitud está en el intervalo comprendido entre 6 y 8 m, y si el área de construcción es amplia y la longitud de fuste está entre 3 y 4 m, las pilas son másventajosas que las zapatas corridas. Las pilas también son una solución preferida sies difícil encontrar un estrato firme mediante excavación o la excavación afecta a las estructuras aledañas, o si el levantamiento diferencial de la losa es mayor de 10 cm o la deflexión resultante excede a 1/250.

Las pilas deberán cimentarse sobre un estrato no expansivo o, en su defecto, lalongitud de la pila deberá ser mayor que la profundidad de la zona activa. El diseñode las pilas construidas en suelos expansivos deberá tomar en cuenta tres aspectos: Tensión en la pila, capacidad de carga y deformación.

Cuando el terreno es adecuado para su construcción, las pilas encampanadas ofrecen una buena alternativa para mejorar el comportamiento general de la cimentación. El diámetro de la parte encampanada es usualmente de dos a dosveces y media, pero no mayor de tres veces el diámetro de la pila.

Las pilas deberán estar ligadas en su cabezal por trabes de piso, los cuales no deben tener contacto con el terreno; se debe tener un espacio vacío de 10 a 35 cm o el doble de la expansión del suelo estimada entre los trabes y la superficie delterreno. El piso deberá colgarse de los trabes 20 cm arriba del terreno o apoyarsedirectamente sobre éste si se dispone del aislamiento entre el piso y los muros.

SUELOS COLAPSABLES

ANTECEDENTES

Los suelos colapsables son suelos no saturados que experimentan, cuando estánsujetos a saturación, un reacomodo de sus partículas y un excesivo decremento ensu volumen con o sin la aplicación de cargas externas. Los problemas de sueloscolapsables no se presentan únicamente en ambientes desérticos, sino tambiénpueden encontrarse en otros entornos geológicos; los suelos compactados que seconsideran estables pueden ser colapsables dependiendo del intervalo en la aplicación de la carga y otros factores. De hecho, cualquier suelo no saturado queno contenga minerales expansivos abundantes puede tener características colapsables.



Este tipo de suelo tiene mayor importancia en obras hidráulicas que en otras obrasciviles, ya que aquellas siempre tienen que interactuar con el agua, cuya presenciaconstituye el problema primordial. Asimismo hay que tener en cuenta que el cambio climatológico que se ha experimentado ha modificado las condiciones hidrológicas de los diferentes sitios, pues en zonas áridas se presentan periodos de sequía prolongados que preceden lluvias escasas, pero a veces torrenciales; en zonas húmedas, los depósitos sedimentados producto de inundaciones recientes pueden formar zonas de peligro potencial para periodos de tormenta futuros. Los suelos colapsables son altamente inestables ante estos fenómenos extremos.

Sin embargo, hay que considerar que si los suelos se identifican oportunamente, los problemas que se presentan se resuelven en forma técnica y económicamenteaceptable, tomando en cuenta la colapsibilidad del suelo, causas que producensaturación y estimación de asentamientos por colapso. Lo anterior es con el fin deque se pueden sugerir recomendaciones, métodos adecuados de estabilización o de diseño.

TIPOS DE SUELO COLAPSABLE

Se puede afirmar que todos los suelos no saturados tienen ciertas característicascolapsables. La magnitud de los asentamientos puede variar enormemente de untipo al otro. Los mecanismos que originan el colapso del suelo en condiciones desaturación se pueden clasificar en los siguientes puntos: estructura abierta, presencia de cementantes y cargas externas.SUELOS COLAPSABLES: Son suelos que cambian violentamente de volumen por la acción combinada o individual de las siguientes acciones:a) al ser sometidos a un incremento de carga ob) al humedecerse o saturarseLa mayor parte de los suelos colapsables tienen una estructura abierta, del tipopanal. El esqueleto de suelo se puede mantener gracias a la cohesión que le proporcionan a las partículas algunos materiales o fuerzas que se derivan de la tensión capilar, la cual incrementa la resistencia aparente del suelo. Se ha observado en las investigaciones que los suelos colapsables adquieren un esfuerzo efectivo máximo cuando ellos tienen un contenido de agua de alrededor de 10%. Existen suelos colapsables, que una vez saturados, son altamente compresibles, hecho que explica el gran cambio de volumen que sufren estos suelos; las cargas externas también ayudan a la solución de materiales cementantes que existen en los contactos intergranulares. A fin de conocer mejor los mecanismos de colapso, se describen a continuación los principales suelos colapsables.



a) Depósitos eólicosEntre todos los tipos de suelo, los depósitos eólicos son los más colapsables, y sedistinguen tres tipos: loess, depósitos costeros y cenizas volcánicas, y todos ellosson transportados por el viento a gran distancia en regiones cálidas.

Los loess son partículas de color amarillento, con un tamaño semejante al de laarena, con formas que van de la subredondeada a la redondeada y con una distribución relativamente uniforme. Las partículas de suelo se componen generalmente de minerales recientes como el cuarzo, feldespato, calcita o mica con otro material que actúa como aglutinante, siendo el material de arcilla montmorilonita uno de ellos, de modo que cuando está seco el suelo tiene una textura relativamente dura, y en algunos tipos de loess se encuentra el carbonato de calcio. En clima árido, las gruesas capas de limo transportadas por el viento se acumulan en las tierras semidesérticas cubiertas de hierba que bordean las regiones áridas. Los depósitos se forman lentamente, por consiguiente el crecimiento de la hierba sigue el paso de la deposición. El resultado es una gran porosidad y una exfoliación vertical combinada con una estructura extremadamente suelta. La mayoría de los loess son duros, pero debido a la deposición de carbonato de calcio y óxido de hierro que reviste los antiguos huecos de raíces, se hacen blandos cuando se saturan. En las márgenes de las corrientes, los barrancos y los cortes, los taludes son casi verticales gracias a la exfoliación.

Aunque son abundantes en zonas áridas, los depósitos eólicos también se forman en el clima húmedo a lo largo de las costas de lagos o mares. La intemperizaciónmecánica produce abundantes partículas gruesas, que son acarreadas cuando seseca la playa por los vientos costeros durante las horas de marea baja y que seconcentran en playas o barras debido a acciones de las olas.

Las cenizas volcánicas también son transportadas por el viento. Consisten en pequeños fragmentos de rocas ígneas lanzados por el vapor sobrecalentado y losgases de los volcanes. La ceniza volcánica reciente es una arena o grava arenosaligera. Los depósitos pueden ser estratificados o mezclas bien graduadas. Las cenizas absorben el agua con facilidad y se descomponen rápidamente. Toba y arcilla volcánica son productos de la descomposición de las cenizas, en diferentesgrados. En algunas partes del país, como la zona metropolitana de Guadalajara, seencuentran abundantes depósitos pumíticos que son producto de erupciones volcánicas, transportados por vía aérea y depositados alrededor del foco de emisión (Bonilla y Espinosa de los Monteros, 1998). Se ha mostrado la alta colapsabilidad de estos suelos pumíticos.



b) Depósitos aluvialesEstos depósitos se forman en abanicos aluviales. Son depositados originalmente por avenidas súbitas o flujos de lodo que se generan en periodos de retorno largos y consisten en materiales sueltos con un considerable porcentaje de arcilla. Dichosdepósitos se van secando y no vuelven a saturarse hasta la llegada de la siguienteavenida, por lo que son inestables en estado seco. El contenido de arcillas tiene una influencia importante en el comportamiento del suelo. Se ha observado que elasentamiento máximo ocurre cuando el porcentaje de arcillas alcanza a 12% de lossólidos, y se presenta un menor asentamiento cuando las arcillas representan unacantidad menor que 5% y el suelo se expande si dicho porcentaje es mayor que eltreinta por ciento.

c) Suelos residualesEn algunas regiones húmedas y cálidas el proceso de intemperización puede alcanzar profundidades considerables. Como producto de diferentes grados dedescomposición química, el suelo residual puede estar constituido por granos dearena y minerales arcillosos, originados respectivamente de cuarzo y feldespatos.Los granos de arena forman una estructura de alma abierta, mientras los mineralesarcillosos sirven como unión granular entre los primeros. Estando seco, el sueloparece ser muy firme; pero una vez está saturado, la escasa cantidad de minerales arcillosos, generalmente caolinitas, pierde su capacidad de unir las partículas sólidas de arena. En consecuencia, el suelo se comprime o se colapsa considerablemente.

d) Suelos compactadosAl humedecerse, los suelos compactados pueden tener un comportamiento expansivo o colapsable, dependiendo principalmente del intervalo de carga y del tipo de suelo. En los suelos arenosos o limosos casi siempre se presenta una tendencia a la reducción de volumen. Para otros suelos, si la carga aplicada es pequeña, los suelos se expanden al saturarse; por lo que se puede definir una carga de expansión que sirva como una frontera que marca la tendencia al cambio de volumen: si la carga aplicada es mayor que ella, los suelos experimentan reducción de volumen. Al ser más plástico el suelo con un mayor contenido de arcilla, la carga de expansión es mayor y el suelo es menos colapsable.

De acuerdo con este comportamiento, se puede esperar de un terraplén compactado que experimente expansión en la capa superficial y colapso a grandes



profundidades. El grado de compactación también influye en el comportamiento de suelo. Si éste está compactado con un contenido de agua menor que el óptimo y una baja densidad, el potencial de colapso es alto.

MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN SUELOS COLAPSABLES

a) Método de campoSe toma una muestra de suelo y se divide en dos partes, se recortan ambas hastaque éstas tengan una forma regular y un mismo volumen. Se satura una de las doscon agua y se comparan ambas. Si en la porción saturada se observa una reducciónen su volumen, el suelo puede ser colapsable.

b) Propiedades índiceSe han desarrollado varios métodos de acuerdo a sus propiedades índice paraidentificar suelos colapsables.

Relación de vacíos. Se define como el coeficiente de colapso kd a la relación entre eLL y e0 como kd = eLL/e0 donde eLL es la relación de vacíos en el estado de límite líquido y e0 es la relación de vacíos natural (Denisov, 1951; Northey, 1969). Considerando este coeficiente el suelo es colapsable si kd se encuentra entre los límites siguientes:0.5 < kd < 0.85

Límite líquido. El límite liquido se ha considerado como un indicador importante de la colapsabilidad del suelo. Holtz y Hilf (1961) propusieron una carta que relaciona el límite líquido con el peso específico seco. En la cual, se presentan curvas correspondientes a dos valores típicos de la gravedad específica Gs (Ss); cada una de ellas separa dos zonas, una en la que los suelos observados tienden a colapsarse y en la otra no tienen la tendencia anterior. Posteriormente, Gibbs y Bara (1962)establecieron un criterio similar a través de expresiones o formulas.

Contenido de finos. Handy (1973) propuso identificar la colapsabilidad de suelo de

acuerdo con su contenido de finos y definió para ello los criterios presentados en la tabla 3.1.



c) Prueba de consolidaciónUna identificación más confiable se tiene llevando a cabo una prueba de consolidación. La muestra de suelo, manteniendo su contenido de agua natural, secoloca en el anillo de consolidación. Las cargas se aplican progresivamente hastaalcanzar una presión de 200 kPa. Al final de este incremento de carga, se satura la muestra con agua y se le deja por un día. La prueba se continúa hasta alcanzar la carga máxima programada. El potencial de colapso se define como:



Es importante hacer notar que el potencial de colapso es solamente un indicador relativo de la colapsabilidad de suelo y no puede utilizarse en el cálculo de asentamiento por colapso. Esto se debe a que la deformación de colapso dependeen gran medida del nivel de esfuerzo a que está sometido el suelo antes de la saturación; como el potencial de colapso es determinado solamente para el nivel de esfuerzo igual a 200 kPa, no es válido para estimar el colapso para otros niveles de esfuerzo.

De manera complementaria, pueden utilizarse pruebas de carga en estado seco y humedecido ASTM1194. El objetivo de las mismas será realizar un análisis comparativo del comportamiento del suelo en su condición natural, con relación a su comportamiento en condición húmeda. En caso se verifique la colapsabilidad del suelo, el PR deberá formular las recomendaciones correspondientes a fin de prevenir su ocurrencia.

Las cimentaciones construidas sobre suelos que colapsan (CP>5) están sometidas a grandes fuerzas causadas por el hundimiento violento del suelo, el cual provoca asentamiento, agrietamiento y ruptura, de la cimentación y de la estructura. Por lo tanto no está permitido cimentar directamente sobre suelos colapsables. La cimentación y los pisos deberán apoyarse sobre suelos no colapsables. Los pisos no deberán apoyarse directamente sobre suelos colapsables. Reemplazo de un suelo colapsable: Cuando se encuentren suelos que presentan colapso moderado y a juicio del ingeniero, poco profundos, éstos serán retirados en su totalidad antes de iniciar las obras de construcción y serán reemplazados por Rellenos Controlados compactados adecuadamente (Rellenos controlados o de ingeniería).

Se anexan varias figuras y tablas de correlaciones y métodos indirectos


expansion y colapso en suelos

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