UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN OBRAS CIVILES

ANÁLISIS DE LA ACCIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS SOBRE LAS

ESTRUCTURAS EN LA REGIÓN METROPOLITANA. MÉTODOS DE

ESTABILIZACIÓN Y SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS.

JAIME ANTONIO CARRASCO FERNÁNDEZ

Profesor Guía: Sr. Esteban Jamett Quezada

Memoria para obtener el Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles.

Santiago – Chile

2013

© Jaime Antonio Carrasco Fernández Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines académicos, por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando se incluya la cita bibliográfica del documento.

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN OBRAS CIVILES

ANÁLISIS DE LA ACCIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS SOBRE LAS

ESTRUCTURAS EN LA REGIÓN METROPOLITANA. MÉTODOS DE

ESTABILIZACIÓN Y SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS.

JAIME ANTONIO CARRASCO FERNÁNDEZ

Profesor Guía: Sr. Esteban Jamett Quezada Comisión Examinadora: Sr. Eduardo Barra Rivera Sr. Pablo Medina Dávila Memoria para obtener el Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles

Santiago – Chile

2013

i

DEDICATORIA

Esta Tesis es dedicada principalmente a mis padres Jaime y Anita, porque creyeron en mi y

porque me sacaron adelante, siendo ejemplos dignos de superación y perseverancia, por

enseñarme los valores que me formaron como persona, porque en gran parte gracias a

ustedes, hoy puedo ver alcanzadas mis metas, ya que siempre estuvieron impulsándome en

los momentos más difíciles durante estos años. A mis hermanas Viviana y Mariana, y a mi tía

Berta, por su apoyo y cariño en cada momento y por ser pilares fundamentales en los

períodos difíciles que pasamos como familia, porque el solo hecho de pensar en ustedes me

entregaba la fuerza para lograr cada meta y objetivo propuesto.

A mi polola Nicole, por su apoyo incondicional, por su amor y paciencia en cada momento, por

las palabras de aliento y sustento en momentos de flaqueza.

Este paso es dedicado a todos ustedes…

ii

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a todas las personas que participaron e hicieron posible este proyecto, a quienes

contribuyeron y estuvieron presentes durante mi proceso de formación.

A mi familia, por su apoyo incondicional.

A mi polola por su amor en cada momento.

A mis amigos por su apoyo y compañerismo.

A mi profesor Guía Esteban Jamett, por su apoyo durante este proceso y entrega de

conocimiento y sabiduría.

A mi universidad por ser el ente que me cobijó durante todos estos años transformándose en

mi segundo hogar y fuente de conocimiento.

Finalmente quiero agradecer a Dios, por permitirme vivir con las personas que amo, por

darme la fuerza cada día, por los períodos de tristeza y de felicidad, y por ser la luz que me

guiaba y levantaba en momentos de debilidad.

iii

TABLA DE CONTENIDOS Dedicatoria…………..……………………………………………………………………. i Agradecimientos………………………………………………………………………….. ii Tabla de Contenidos ……………………………………………………………………. iii Índice de Tablas...………………………………………………………………………... vii Índice figuras………………………………………………………………………........... viii Resumen………………………………………………………………………………….. x

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN…………………………….………………………….. 1

1.1. 1.2.

Introducción…………………………………………………………………. Objetivos……………………………………………………………………….

1 3

1.3. Alcances y limitaciones…………………………………………………….. 4 1.4. Metodología………………………………………………………………….. 5 1.5. Expansión urbana y necesidad de suelo………………………………. 6 1.6. Efectos perjudiciales de las arcillas expansivas sobre las

construcciones livianas………………………………………………………

7

CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO……..………………….…………………………... 8

2.1. Introducción……….………………………………………………………… 8 2.2. Definición y características de los suelos expansivos………………… 9 2.3. Estructura y componentes mineralógicos de las arcillas expansivas. 10 2.3.1. 2.3.1.1. 2.3.1.2. 2.3.1.3. 2.3.1.4.

Grupos de minerales arcillosos………………………………………..….. Grupo de la caolinita………………………………………………………… Grupo de la ilita……………………………………………………………… Grupo de la montmorillonita………………………………………………… Grupo de la vermiculita………………………………………………………

14 14 14 15 15

2.4. Causas que originan su comportamiento…………………………………. 16 2.4.1. Fenómeno y comportamiento químico de las arcillas expansivas……. 16 2.4.2. Teoría químico-eléctrica……………………………………………………. 17 2.4.3. Influencia de la succión en el hinchamiento de un suelo expansivo…… 18 2.4.4. Influencia del grado de pre consolidación ……………………………… 18 2.4.5. Influencia de la cementación ……………………………………………… 19 2.4.6. 2.4.6.1. 2.4.6.2.

Humedad de equilibrio y el potencial de hinchamiento…………………. Humedad de equilibrio………………………………………………………. Potencial de hinchamiento…………………………………………………..

19 19 20

2.5. Factores que intervienen en el fenómeno de la expansión…………… 21 2.5.1. La composición mineralógica de la arcilla…….…….…….…….……… 21 2.5.2. 2.5.3. 2.5.4.

Índice de Plasticidad………………………………………………………… Límites de Consistencia de Atterberg.……………….………….……….. La variación de humedad……………….………….…….……….…….…...

22 24

26

iv

2.5.5. Capilaridad del suelo ante la presencia de nivel freático…….…….……. 26 2.5.6. 2.5.7. 2.5.8. 2.6.

Densidad seca.……………….………….…… ……….…….……….….…. Potencial del estrato activo……………….………….…….……….…….… Fatiga de la expansión…….…….….….…….…….…….…….…….….….. Evaluación del potencial expansivo….….…….…….…….…….…….……

27 28 29 30

CAPÍTULO 3 METODOS DE IDENTIFICACIÓN…..……….……………………….. 31

3.1. 3.2.

Generalidades………………………………………………………………… Identificación visual………………………………………..………..………..

31 31

3.3. Identificación mineralógica………………………………………………….. 32 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4. 3.4.5. 3.4.6. 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 3.6. 3.7.

Difracción de rayos x………………………………………………………… El análisis térmico diferencial……………………………………………..... El análisis químico y la absorción de tinte………………………………… La microscopia electrónica………………………………………………….. Identificación por métodos indirectos………………………………………. Método de Lambe ……….…….……….….…..……….….….….…………. Índice de plasticidad……………….………….…….……….…….………… Contracción de las arcillas…..….….….…….…….…….…….…….….….. Contenido de coloides….….…….…….…….…….…….……….…………. Método del índice de actividad de la arcilla…...……….….….….……….. Método desarrollado por Holtz y Gibbs…….……….…….………………. Identificación por métodos directos.….…….…….…….…….…….….….. Presión de hinchamiento….…….…….…….…….…….……….…………. Hinchamiento libre.…….…….…….…….…….……….………… ………… Análisis comparativo y efectividad de los métodos señalados…………. Normativa Chilena Relacionada…….…….…….………………………….

32 33 33 33 35 35 35 36 37 38 40 41 41 41 43 44

CAPÍTULO 4 HISTORIA GEOLÓGICA Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS EXPANSIVOS……………………………………………………………

45

4.1. Historia geológica y origen………………………………………………… 45 4.2. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3.

Mapa geológico de la Región Metropolitana……………………………. Delimitación de la zona de estudio……………………………………….. Unidades geomorfológicas constituyentes del suelo de fundación de la Región Metropolitana……………………………………………………….. Clasificación de suelos de fundación del Gran Santiago………………. Finos del Noroeste……………………………………………………………

46 47

47

47 48

v

CAPÍTULO 5 DIAGNÓSTICO DEL SUELO DE FUNDACIÓN DE PROYECTOS EMPLAZADOS EN LA ZONA DE ESTUDIO………………………..

52

5.1. 5.2.

Características del análisis………………………………………………… Análisis de resultados de ensayos en proyectos ubicados en la zona de estudio……………………………………………………………………..

52

54 5.2.1. Clasificación del grado de expansión……………………………………… 54 5.2.2. Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos……………. 56 5.2.3. 5.2.4.

Clasificación de muestras de suelo según sistema USCS...…………… Selección de dos proyectos representativos para entregar análisis y desarrollo de soluciones constructivas....................................................

58

59

CAPÍTULO 6 SISTEMAS DE SOLUCIÓN ANTE SUELOS EXPANSIVOS……… 60

6.1. 6.1.1. 6.1.2.

Clasificación de sistemas de solución…………………………………….. Soluciones constructivas que actúan sobre la estructura………………. Soluciones constructivas que actúan sobre el terreno….……………….

60 60 60

6.1.2.1. Método de sustitución………………………………………………………. 61 6.1.2.2. Método de estabilización……………………………………………………. 62 6.2 6.2.1 6.2.1.1 6.2.1.2. 6.2.1.2.1. 6.2.1.3. 6.2.1.4. 6.2.1.5. 6.2.1.6. 6.2.1.6.1. 6.2.1.6.2. 6.2.1.6.3.

Alternativas de solución y control para suelos expansivos presentes en la zona de estudio……………………………………………………………. Remoción del suelo hasta el punto crítico………………………………… Ejecución de la solución por método de remoción….……………………. Material de relleno……..…………………………………………………….. Propiedades mecánicas de referencia…………………………………….. Ejecución del relleno estructural……………………………………………. Equipo de compactación para suelos granulares………………………… Consideraciones ante presencia de napa………………………………… Aplicación práctica de la solución de remoción de terreno y relleno estructural……………………………………………………………….......... Alternativa de fundación de zapatas y cimiento continuo en relleno estructural…………………………………………………………………….. Alternativa de losa de fundación sobre relleno estructural………………. Procedimiento de ejecución del zampeado, para excavaciones en presencia de nivel freático………………………………………………......

63

63 67 68 69 70 70 71

72

75 77

83

6.2.2. 6.2.2.1.

Losa rígida apoyada sobre pilotes….……………………………………… Acción del suelo expansivo sobre pilotes………………………………….

85 82

6.2.2.2. 6.2.2.3. 6.2.2.4. 6.2.2.5. 6.2.2.6. 6.2.2.7. 6.2.2.8.

Características del sistema de pilotes……………………………………... Cálculo de capacidad de carga……………………………………………. Resistencia unitaria última de punta………………………………………. Resistencia unitaria última de fuste……………………………………….. Capacidad de carga admisible…………………………………………….. Análisis del asentamiento de pilotes………………………………………. Eliminación de la acción del fuste sobre el pilote…………………………

87 89 91 92 94

95 97

vi

6.2.2.9. 6.2.2.9.1. 6.2.3. 6.2.3.1. 6.2.3.2. 6.2.3.3. 6.2.3.4. 6.2.3.5. 6.2.3.6. 6.2.3.7. 6.2.3.8.

Aplicación práctica de la solución de losa rígida apoyada sobre pilotes…………………………………………………………………………. Planimetría del proyecto……………………………………………………. Estabilización con cal………………………………………………………. Definición…………………………………………………………………….. Funciones de la cal…………………………………………………………. Tipos de cal………………………………………………………………….. Propiedades de la cal………………………………………………………. Normativas sobre la cal…………………………………………………….. Modificación de suelos arcillosos con cal………………………………… Efectos de la aplicación de la cal………………………………………….. Aplicación de la solución mediante sistema de inyección de cal……….

98

100 102 103 104 104 106 107 108 112 117

CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES…………………………….………………………… 119

7.1. 7.2. 7.2.1. 7.2.2. 7.2.3. 7.3.

Recomendaciones, Prevención y Control………………………………… Recomendaciones Constructivas………………………………………….. Recomendaciones para la construcción de fundaciones sobre relleno estructural……………………………………………………………………. Recomendaciones para la ejecución de la solución mediante losa autosoportante sobre pilotes……………………………………………….. Recomendaciones para la ejecución de la alternativa mediante estabilización con cal……………………………………………………….. Conclusión Final……………………………………………………………..

119 121

121

124

127 128

BIBLIOGRAFÍA…………..…………………………………………………….…..……... 131

vii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1. Índice cambio potencial de volumen del ensayo Lambe……………….. 35 Tabla 1.2. Relación entre el potencial de hinchamiento y el índice de plasticidad.. 36 Tabla 1.3. Potencial expansivo y contracción de las arcillas……………………….. 36 Tabla 1.4. Evaluación del peligro de hinchamiento según contenido de coloide… 38 Tabla 1.5. Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos……….. 40 Tabla 1.6. Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos.…….… 54 Tabla 1.7. Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos (1)……….. 56 Tabla 1.8. Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos (2)………... 57 Tabla 1.9. Propiedades de material de relleno……………………………………….. 69 Tabla 1.10. Propiedades mecánicas del suelo de fundación………………………… 73 Tabla 1.11. Recomendaciones de escarpes mínimos bajo viviendas………………. 75 Tabla 1.12. Factor de forma a usar en expresiones de asentamiento………………. 80 Tabla 1.13. Factor de enterramiento a usar en expresiones de asentamiento…….. 81

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Expansión urbana en la Región Metropolitana……………………………. 6 Figura 2-1. Suelo arcilloso de características expansivas…………………………….. 9 Figura 2-2. Estructuras atómicas básicas de los minerales de arcilla………………... 10 Figura 2-3. Láminas formadas por estructuras atómicas básicas…………………….. 11 Figura 2-4. Estructuras laminares……………………………………………………....... 12 Figura 2-5. Minerales de arcilla…………………………………………………………… 13 Figura 2-6. Diagrama de atracción y repulsión electroquímica……………………….. 17 Figura 2-7. Gráfico determinación de humedad de equilibrio…………………………. 20 Figura 2-8. Relación entre el porcentaje de expansión y el componente de arcilla… 21 Figura 2-9. Carta de Plasticidad de Casagrande……………………………………….. 23 Figura 2-10. Diagrama Límites de Consistencia de Atterberg………………………….. 25 Figura 2-11. Gráfico curva de fatiga de la expansión del suelo tras ciclos de

saturación y secado……………………..……………………..…………….

29 Figura 3-1. Identificación visual, estrato de arcilla expansiva…………………………. 32 Figura 3-2. Identificación mineralógica por microscopia electrónica…………………. 34 Figura 3-3. Índice cambio potencial de volumen del ensayo Lambe…………………. 35 Figura 3-4. Identificación por métodos indirectos. Contenido de coloides

comparación de tamaño de partículas……………………..………………………...

37 Figura 3-5. Diagrama Método del “Índice de la actividad de la arcilla” ………………. 39 Figura 3-6. Gráfico relación típica entre el contenido de coloides, el Índice

Plástico y el Límite de contracción……………………..…………………………….

40 Figura 3-7. Identificación por métodos directos. Equipo edométrico…………………. 42 Figura 4-1. Mapa geológico de la Región Metropolitana……………………..………... 46 Figura 4-2. Suelos de fundación de Santiago……………………..…………………….. 50 Figura 4-3. Mapa geomorfológico de la cuenca de Santiago………………………….. 51 Figura 5-1. Diagrama clasificación de muestras de suelo de los diferentes Informes

analizados según sistema USCS……………………..……………………………….

58 Figura 6-1. Profundidad de la zona activa y variación estacional de la humedad…... 65 Figura 6-2. Excavación mediante maquinaria pesada……………………..………….. 66 Figura 6-3. Equipo de compactación y ejecución del proceso………………………… 71 Figura 6-4. Modelo estratigráfico Conjunto Valle Grande, Lampa……………..…....... 72 Figura 6-5. Figura 6-6.

Alternativas para fundaciones en relleno estructural……………………… Esquema de fundación sobre pilotes……………………..…………………

74 84

Figura 6-7. Pilote bajo acción del terreno…………………..…………………………… 85 Figura 6-8. Alternativas de tipo de pilotes……………………..………………………… 87 Figura 6-9. Resistencia de pilotes por punta y por fuste……………………..………… 89 Figura 6-10. Capacidad de carga por transferencia al suelo……………………………. 90 Figura 6-11. Esquema relación K0 en excavación……………………..………………… 93 Figura 6-12. Figura 6-13.

Grafico factor de influencia…………………………………………………. Modelo estratigráfico Casas sector Chamisero Colina……..……………..

96 99

Figura 6-14. Propiedades mecánicas…………………………………………………….. 99 Figura 6-15. Planta de fundación, ubicación de pilotes en planta……………………… 100

ix

Figura 6-16. Sección pilote y viga de fundación……..…………………………………. 101 Figura 6-17. Proceso de Inyección de cal sobre el terreno……………………………. 103 Figura 7-1. Esquema de relleno para fundación………………………………………. 123 Figura 7-2. Ejemplo de distribución de pilotes en planta………………………..……. 124

x

RESUMEN

Frente al crecimiento de la población y la escasez de suelo apto para la construcción en la zona norte de la Región Metropolitana y considerando que el efecto del hinchamiento del suelo producirá impacto en obras de menor magnitud o peso por unidad de área, surge la necesidad de analizar el terreno y su influencia en las estructuras.

En este sentido, se profundiza en los suelos expansivos, identificados en la zona clasificada como “suelos finos del noroeste” y en viviendas de hasta tres pisos. El comportamiento característico de este tipo de suelos, corresponde al fenómeno de la expansión, que depende principalmente de la composición mineralógica de la arcilla, el espesor de la capa activa y la variación de humedad a la que se ve expuesto el estrato de arcilla expansiva.

Se analiza el comportamiento de estas arcillas, en sus características principales y factores que establecen el grado de expansión, determinando y evaluando el potencial expansivo del suelo y de la comparación y búsqueda de patrón repetitivo, por medio de muestras ensayadas en laboratorio; ya sea clasificación USCS, limites de Atterberg, contenido de humedad, contenido coloidal y ensayos edométricos, principalmente presión de hinchamiento e hinchamiento libre. El análisis propiamente tal, abarca informes de mecánica de suelos, resultados de ensayos y los proyectos presentes en la zona de estudio, particularmente se destacan dos, relevantes debido a su alto potencial expansivo, medidas de ejecución práctica y control en el estudio de métodos de solución para la construcción de viviendas ligeras.

Finalmente, en esta investigación se establecen tres alternativas de solución, estas son, reemplazo de suelo, uso de pilotes y estabilización con cal. Las soluciones mediante método de reemplazo y uso de pilotes, son utilizadas en la práctica de forma habitual con buenos resultados, otorgando además buen rendimiento costo-beneficio, sin embargo su uso y resultado final, depende de cada proyecto y del control adicional que se le dé a este. Mientras que para el caso de la solución mediante uso de cal, si bien no es usada aún en el país, su utilización y desarrollo se presenta como desafío para el estudio acabado de esta y de nuevas alternativas que permitan desarrollar obras con mejores resultados y comportamientos frente a suelos similares.

1

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1. Introducción.

En la actualidad, el sector de la construcción se ha visto beneficiado con un

crecimiento en los proyectos inmobiliarios, debido al aumento sostenido de la

población en la Región Metropolitana. Sin embargo, el espacio o área de terreno

desocupado es un recurso escaso, que hace indispensable la ocupación de suelo

en terrenos periféricos de la capital, de calidad cuestionable ya que éstos

corresponden a terrenos difíciles o no aptos para la construcción.

Dentro de los suelos comúnmente inutilizados, se pueden nombrar, entre

otros, los limos de origen volcánico, las arenas sueltas, los rellenos sanitarios, los

suelos arcillosos de alta plasticidad, siendo este último el contenido a desarrollar

en esta investigación, específicamente un tipo de arcilla que ha incidido en el daño

ocasionado a estructuras tanto en Chile como en el extranjero. Éstas son las

denominadas “arcillas expansivas”.

Hoy en día se reconoce la incidencia del comportamiento de los materiales

expansivos en los daños experimentados por las estructuras, estas patologías de

las estructuras, hasta hace algunas décadas, eran atribuidas, por ejemplo, a

asentamientos del suelo, desconociendo que se debían en realidad a un

fenómeno de hinchamiento del suelo. Se estima que las pérdidas anuales en el

mundo por daños en las estructuras sobre suelos expansivos alcanzan cifras

millonarias, despertado el interés de los especialistas en suelo y construcción.

En Chile, el tema ha merecido permanente preocupación de profesionales

en el área de la ingeniería civil, mecánica de suelos y arquitectura, especialmente

por los daños generados en obras de edificación, ya sea habitacionales o

2

comerciales, o bien, en obras viales, como carreteras y puentes. Por esta razón, el

estudio y análisis de los suelos expansivos se hace preponderante en la

generación de alternativas de uso de estos, mediante su identificación para

posteriormente efectuar una solución y control, que permitan construir sobre ellos

sin ocasionar perjuicios sobre dichas construcciones.

3

1.2. Objetivos.

Dentro de los objetivos del presente trabajo de tesis, se contempla:

Identificar y describir las características y condiciones propias de los

suelos expansivos, tanto en propiedades geotécnicas como mineralógicas

en la Región Metropolitana.

Exponer los métodos utilizados para verificar o descartar la presencia de

estos suelos y evaluar sus efectos sobre estructuras.

Analizar alternativas de solución y control, ante la presencia de suelos

expansivos, permitiendo la estabilización del terreno y su uso.

Evaluar el proceso de ejecución de cada alternativa de solución, y mostrar

las respectivas aplicaciones, ventajas y desventajas de las técnicas de

construcción expuestas.

Fomentar el conocimiento y utilización de estas técnicas y alternativas de

solución, en las obras civiles realizadas dentro del territorio nacional.

4

1.3. Alcances y Limitaciones.

En este trabajo se desarrolla un estudio sobre las arcillas expansivas, sus

características generales y propiedades intrínsecas, permitiendo reconocer e

identificar su presencia en la zona de análisis junto con presentar alternativas de

solución y control ante la presencia de suelos expansivos.

Desde el punto de vista de las soluciones constructivas, éstas tienen una

base analítica y bibliográfica que permiten ser consideradas en un amplio alcance

en la materia, pero presentan las limitaciones propias a la universalidad de suelo.

Es decir, dada las características infinitas e individuales del suelo, desde el punto

de vista del análisis experimental, no está dentro del alcance o propósito de este

trabajo un estudio analítico detallado del suelo, ya que la investigación geotécnica

de este, es de dominio general y normalizado.

El efecto de expansión o hinchamiento del suelo no se producirá bajo una

carga elevada, por ello el impacto de los suelos expansivos se ve en cierto modo

controlado para el caso de la edificación en altura, de este modo, para fines de

esta memoria no se consideran grandes presiones de contacto fundación suelo,

sino más bien, viviendas de hasta tres pisos, con una presión de contacto no

superior a 30 ton/m2. En este sentido, se comprende que este estudio puede ser

acotado al análisis del comportamiento de obras de menor peso por unidad de

área, como lo son las edificaciones en extensión.

Por consiguiente, los resultados del trabajo corresponden a un estudio

analítico de casos de aplicación práctica, y no del tipo experimental.

5

1.4. Metodología.

Dentro de la metodología desarrollada en el presente trabajo de tesis, se

presenta un orden cronológico y secuencial basado principalmente en la

recopilación de la información, obtenida mediante la revisión de fuentes

bibliográficas y artículos de investigación, análisis de normativas, estudio de

memorias relacionadas, y ejemplos de implementación en construcciones.

Se procede al análisis de los suelos expansivos, principalmente de sus

características y propiedades, reconocimiento e identificación, diferenciación con

otros tipos de suelo similares y visitas a terreno. A continuación, se aborda el

análisis de sistemas de solución y control, a partir de alternativas desarrolladas y

aplicadas tanto en Chile como en el extranjero, generando una propuesta de

métodos de solución y control para la construcción.

Finalmente se entrega una conclusión respecto a características del suelo

expansivo y sistemas de solución, que permitan el uso de estos suelos en la

construcción de obras civiles. A partir de esta metodología, es posible decir, que

se desarrolla el cuerpo principal del trabajo de tesis, y en las cuales se sustenta el

estudio del comportamiento de los suelos expansivos y soluciones adoptadas.

6

1.5. Expansión urbana y necesidad de suelo:

El crecimiento horizontal de las ciudades es uno de los factores más

importantes en la ocupación de suelos. Dentro de las alternativas para reducir el

impacto del crecimiento de la población y por ende la densificación urbana de la

región, está la construcción en altura y el uso de suelo en zonas periféricas de la

ciudad. Tal es el caso de la zona norte de la región, la cual se encuentra alejada

del centro de la ciudad, y en la cual se ha identificado la presencia de las arcillas

expansivas.

Figura 1-1. Expansión urbana en la Región Metropolitana.

Fuente: Plataforma Urbana, columna Crecimiento de Santiago desde 1960.

7

1.6. Efectos perjudiciales de las arcillas expansivas sobre las construcciones livianas.

Una construcción ligera asentada sobre este tipo de suelo experimentará

deformaciones causadas por la expansión de las arcillas. Dichas repercusiones se

traducen en grietas sobre muros y el levantamiento de pisos.

Los terrenos expansivos que aumentan o disminuyen de volumen debido a

los cambios de humedad, son conocidos por producir daños, causando problemas

estructurales a través de distorsiones angulares excesivas producidas tanto por

hinchamiento como por asentamientos diferenciales entre diversas partes de la

estructura.

Las estructuras más afectadas por problemas de expansividad o retracción

suelen ser edificaciones ligeras con cimentaciones continuas o losas, viviendas

unifamiliares, naves industriales, etc. Estos daños producidos en el mejor de los

casos, suelen pasar desapercibidos debido a que no tienen un efecto catastrófico

y no se manifiestan hasta un periodo largo de tiempo. Además, la consecuencia

de estos no produce daños importantes en la vida humana. Sin embargo, los

daños económicos pueden ser elevados.

Si una estructura está cimentada directamente sobre arcillas expansivas y

existe la posibilidad de que cambie el contenido de humedad de estas, se

producirán movimientos en los apoyos que pueden causar grandes daños a la

estructura. Las cimentaciones construidas sobre esas arcillas pueden estar

sometidas a grandes fuerzas de empuje causadas por la expansión. Estas fuerzas

pueden provocar el levantamiento, agrietamiento y rotura de la cimentación.

8

CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO

2.1. Introducción.

La estabilidad de las estructuras situadas sobre suelos expansivos, se ven

afectadas por el fenómeno de la expansión de las arcillas a causa del

hinchamiento producido por la humedad o el contacto de las partículas de suelo

con el agua. El efecto producido por este tipo de suelo, afecta la seguridad de las

estructuras, las cuales podrían llegar al punto de quedar inutilizadas o en el peor

de los casos llegar al colapso. Frente a estos efectos las alternativas de

reparación de las estructuras conllevarían un alto costo de inversión, que se

igualaría al de la reconstrucción.

Por este motivo, este trabajo de título, tiene como objetivo primario exponer

los métodos utilizados para verificar o descartar la presencia de estos suelos, y

estimar sus efectos sobre las estructuras, dando a conocer alternativas de

solución y control, que permitan la estabilización del suelo de apoyo.

El efecto de expansión o hinchamiento del suelo no se producirá bajo una

carga elevada, por ello el impacto de los suelos expansivos se ve en cierto modo

controlado para el caso de la edificación en altura, considerando también que para

este tipo de edificación, la construcción de subterráneos requiere de la excavación

o retiro de gran cantidad de metros cúbicos de terreno. Esta acción minimiza la

probabilidad de encontrar presencia de suelos expansivos. Por este motivo, se

infiere que el efecto de los suelos expansivos puede ser acotado al estudio del

comportamiento de obras de menor peso por unidad de área, como lo son las

edificaciones en extensión ya sea viviendas habitacionales, obras viales, obras

industriales, entre otras.

9

2.2. Definición y características de los suelos expansivos.

Los suelos expansivos corresponden al conjunto mineralógico de partículas

finas muy pequeñas denominadas arcillas plásticas, las cuales poseen la

particularidad de expandirse considerablemente en contacto con el agua o

humedad, y contraerse con la pérdida o ausencia de la misma.

Figura 2-1. Suelo arcilloso de características expansivas Fuente: Fotografía propia

La arcilla es un material fino de carácter cohesivo. Sus partículas pasan el tamiz

ASTM N° 200, que corresponde a 0,074 mm, y presenta una plasticidad que

depende del contenido de humedad.

Algunos componentes de la arcilla tienen la característica de hidratarse. Al

hidratarse genera que su nueva composición aumente considerablemente de

volumen.

Este cambio de volumen depende de tres condiciones, estas son: la

estructura de los cristales, la composición mineralógica y la capacidad de cambio

de cationes. Además, su comportamiento se caracteriza principalmente por: el

efecto de contracción de las arcillas debido al secado de la masa de suelo, la

10

expansión de las arcillas al humedecerse, y el desarrollo de presiones de

expansión cuando se encuentran confinadas y no pueden expandirse.

2.3. Estructura y Componentes mineralógicos de las arcillas expansivas

Los minerales arcillosos son formados principalmente por la meteorización

química de las rocas, es decir, que son producto de la alteración de minerales

preexistentes en la roca. Estos minerales son tan diminutos que sólo pueden ser

vistos utilizando un microscopio electrónico.

Los principales elementos químicos constituyentes de estos minerales son

átomos de silicio, aluminio, hierro, magnesio, hidrógeno y oxígeno. Estos

elementos atómicos se combinan formando estructuras atómicas básicas, que

combinándose entre sí forman láminas, las que al agruparse dan lugar a

estructuras laminares que, al unirse por medio de un enlace, forman un mineral de

arcilla.

Figura 2-2. Estructuras atómicas básicas de los minerales de arcilla Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial

Continental S.A. (CECSA). México, 1994.

11

La Figura 2-2 muestra las dos unidades estructurales básicas de los

minerales de arcilla, que son: la unidad tetraédrica constituida por un ión de silicio

rodeado por cuatro átomos de oxígeno (Figura 2-2.a), y la unidad octaédrica

formada por un ión central de aluminio o magnesio rodeado por seis iones de

oxidrilo (Figura 2-2.b). En ambos casos, el metal con valencia positiva está situado

en el interior, mientras que los iones no metálicos con valencia negativa forman el

exterior.

Las estructuras laminares mostradas en la Figura 2-3, se forman cuando

varias unidades atómicas básicas se enlazan covalentemente mediante los iones

de oxígeno u oxidrilo. Entre las estructuras laminares, se tiene la lámina

tetraédrica y la octaédrica.

Figura 2-3. Láminas formadas por estructuras atómicas básicas Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial

Continental S.A. (CECSA). México, 1994.

En la Figura 2-3.a, se muestra una lámina tetraédrica llamada sílice, que

está formada por tetraedros enlazados que comparten dos átomos de oxígeno. La

12

forma simbólica de representar esta lámina es por medio de un trapecio. La Figura

2-3.b, muestra una lámina octaédrica formada por octaedros de aluminio

enlazados que forman una estructura dioctaédrica llamada alumina o gibsita.

Simbólicamente está representada por un rectángulo con letra G. La lámina de la

Figura 2-3.c, corresponde a una lámina formada por octaedros de magnesio que

forman una estructura trioctaédrica llamada brucita. Simbólicamente está

representada por un rectángulo con letra B.

La separación entre los iones externos de las láminas de tetraédricas y

octaédricas, es suficiente para que ambas láminas puedan unirse por medio de

iones oxígeno u oxidrilo mutuamente. Esto hace posible la formación de

estructuras laminares de dos o de tres láminas. En la Figura 2-4, se muestra

estas estructuras.

En la estructura de dos láminas mostrada en la Figura 2-4.a, las láminas

tetraédricas y octaédricas están alternadas, mientras que la de tres láminas

mostrada en la Figura 2-4.b consiste de una lámina octaédrica emparedada entre

dos láminas tetraédricas. Estas dos formas de estructuras laminares, son

generales para formar las distintas variedades de minerales de arcilla.

Figura 2-4. Estructuras Laminares Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial

Continental S.A. (CECSA). México, 1994.

13

La variedad de los minerales de arcilla, depende de la distribución de estas

estructuras laminares, así como del tipo de iones que proveen el enlace de las

mismas. La Figura 2-5, muestra los minerales de arcilla más comunes.

Figura 2-5. Minerales de arcilla

Fuente: Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía Editorial

Continental S.A. (CECSA). México, 1994.

Se identifican como suelos expansivos, propiamente tales, aquellos que

tienen entre sus componentes, minerales como la caolinita, ilita, montmorillonita y

vermiculita. Estos minerales arcillosos tienen la capacidad de contraerse cuando

pierden humedad y de expandirse cuando la absorben.

La abundante variedad de estos minerales de arcilla, está bastante relacionada a

las estructuras que se muestran en la Figura 2-5, por lo que se pueden identificar

estos cuatro grupos de minerales arcillosos.

14

2.3.1. Grupos de minerales arcillosos

2.3.1.1. Grupo de la caolinita:

Las caolinitas son producto de la meteorización del feldespato ortoclasa

proveniente del granito, y comúnmente se encuentran en suelos compuestos de

sedimento. La caolinita se presenta en hojuelas hexagonales de tamaño pequeño.

Su estructura consiste en una distribución de dos láminas de sílice y gibsita

fuertemente enlazadas (Figura 2-5.a). Algunos minerales de arcilla que pertenecen

a este grupo son: la dickita que tiene la misma composición de la caolinita pero

con un orden diferente en sus láminas, y la halosita que generalmente aparece en

algunos suelos tropicales, cuyas láminas en forma tubular están enlazadas por

moléculas de agua (Figura 2-5.b).

2.3.1.2. Grupo de la ilita:

La ilita es el resultado de la meteorización de las micas. Es similar en

muchos aspectos a la mica blanca, pero tiene menos potasio y más agua en su

composición. Se presenta en forma de hojuelas, y su estructura consiste en

arreglos de tres láminas de gibsita con los iones de K, proporcionando el enlace

entre láminas adyacentes de sílice como muestra la Figura 2-5.c. Debido a que el

enlace es más débil que el de la caolinita, sus partículas son más pequeñas y

delgadas.

15

2.3.1.3. Grupo de la montmorillonita:

La montmorillonita es el constituyente principal de la bentonita y otras

variedades similares de arcilla. Las montmorillonitas suelen ser el resultado de la

meteorización del feldespato plaglioclasa, en los depósitos de ceniza volcánica. Su

estructura fundamental consiste de distribuciones de tres láminas, cuya lámina

octaédrica intermedia es casi siempre gibsita o en otro caso brucita. Diversos

enlaces metálicos además del potasio (K), forman enlaces débiles entre las

láminas como muestra la Figura 2-5.d. Una característica particular de los

minerales del grupo de la montmorillonita, es su considerable aumento de volumen

al absorber partículas de agua.

2.3.1.4. Grupo de la vermiculita:

Este grupo contiene productos de la meteorización de la biotita y la clorita.

La estructura de la vermiculita es similar a la montmorillonita, excepto que los

cationes que proporcionan los enlaces entre láminas son predominantemente Mg,

acompañados por algunas moléculas de agua como muestra la Figura 2-5.e.

16

2.4. Causas que originan su comportamiento.

El comportamiento y la incidencia de los materiales expansivos en los daños

experimentados por las estructuras, fueron identificados recién cerca de la década

de 1930 por especialistas en el estudio de suelos y fundaciones. 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. 1

2.4.1. Fenómeno y comportamiento químico de las arcillas expansivas.

El fundamento del fenómeno de las arcillas expansivas se encuentra en el

desarrollo de cargas eléctricas al interior de la matriz de suelo, que contrarrestan a

las fuerzas de gravedad que se ejercen por el peso propio del suelo y la

estructura. Adicionalmente, estas cargas eléctricas tienen la facultad de retener

humedad, lo que impide el desarrollo de la permeabilidad (que ya es limitada en

las arcillas), en diferentes medidas de acuerdo a la humedad de equilibrio.

1 Primera jornada de Ing. de cimentaciones - Julio Patrone y José Perfumo.

17

2.4.2. Teoría químico-eléctrica:

Esta teoría se basa en otro fenómeno especial de los suelos, y en

específico de los suelos arcillosos por la forma y el tamaño de las partículas de

arcilla. Las partículas de arcillas son como “hojas de papel”, tienen una gran área y

un microscópico espesor que sólo puede medirse en Å (Angström). Esta forma le

confiere la propiedad de cargarse eléctricamente positiva o negativamente. Esta

carga eléctrica le permite adsorber una capa de agua llamada “capa adsorbida”,

que se considera parte de la estructura molecular de la partícula. Esta capa

adsorbida puede incorporar capas y más capas de agua. Cuando la distancia

entre las partículas con sus anillos de agua disminuye se producen atracciones y

repulsiones electroquímicas que dan origen al fenómeno de la expansión o

hinchamiento.

Figura 2-6 Diagrama de atracción y repulsión electro-química

La hidratación de las partículas de arcilla, se produce por la absorción de

agua en el espacio interlaminar, generando como consecuencia la separación de

las láminas dando origen al hinchamiento.

18

2.4.3. Influencia de la succión en el hinchamiento de un suelo expansivo

Los movimientos de los suelos derivados de las variaciones de humedad,

son propios de los suelos no saturados. En una arcilla expansiva situada bajo el

nivel freático, el cambio potencial de volumen por este concepto es nulo.

El campo de succiones existentes en el terreno natural, está íntimamente

ligado al potencial de hinchamiento del suelo. En términos generales, cuanto

mayor sea la succión de un suelo, mayor será el cambio potencial de volumen de

éste, y por ende más peligrosos serán los efectos sobre las estructuras fundadas

en él. La variación que experimenta la succión del suelo inicialmente seco, al

absorber agua, corresponde a un fenómeno que viene acompañado de un

hinchamiento importante. Esto se ve reflejado en el origen de las grandes grietas y

fisuras, que son características de los suelos expansivos en estado seco.

2.4.4. Influencia del grado de pre consolidación

El grado de pre-consolidación del suelo corresponde a un factor influyente

en forma importante sobre el potencial de hinchamiento de una arcilla expansiva,

en arcillas normalmente consolidadas, se ha observado que el hinchamiento de

una muestra inalterada resulta del mismo orden que el hinchamiento que presenta

la muestra remoldeada con el mismo contenido de humedad. Sin embargo, en

suelos preconsolidados, la destrucción de uniones del tipo diagenético que origina

el remoldeo, puede conducir, en este caso, a potenciales de hinchamiento muy

superiores en las muestras perturbadas, sobrestimando así el potencial del terreno

natural. Por esta razón es que los ensayos de hinchamiento se ejecutan en

probetas talladas en estado natural.

19

2.4.5. Influencia de la cementación

La presencia de los elementos cementantes en un suelo expansivo, por

ejemplo carbonatos sílices, son favorables. Incluso si el grado de cementación es

alto, el hinchamiento de la muestra no perturbada puede ser pequeño o

prácticamente nulo.

2.4.6. Humedad de equilibrio y el potencial de hinchamiento.

Dentro de los factores de análisis más representativos en el estudio de los

suelos expansivos, se encuentra la humedad de equilibrio y el potencial de

hinchamiento.

2.4.6.1. Humedad de equilibrio

Corresponde a la humedad a la cual se encuentra un suelo si todas las

condiciones fuesen constantes, con una capa freática a una cierta profundidad y

una evaporación constante en la superficie. Un suelo presenta una humedad

distinta durante el tiempo ya sea en forma diaria, estacionaria o anual. Por esta

razón, resulta difícil encontrar la humedad de equilibrio de un suelo, por el hecho

de tener que tomar muestras del suelo a cierta profundidad cada día de cada

estación del año, más aún durante todo el período de retorno de la región a

estudiar.

El contenido de humedad de equilibrio (CHE) está en función de la

humedad (w) del terreno a una profundidad (z). Estos datos de cada muestreo se

representan en una gráfica donde las abscisas corresponden a la profundidad y

las ordenadas a la humedad, donde los puntos se ajustan y forman una línea. De

las líneas obtenidas se determina la media y se obtiene una línea resultante cuya

intersección con las ordenadas determina la humedad del suelo2.

2 Primera jornada de Ing. de cimentaciones - Julio Patrone y José Perfumo.

20

Figura 2-7 Gráfico determinación de humedad de equilibrio. Fuente: Capitulo 2, Problemas de cimentación sobre suelos expansivos y colapsables.

2.4.6.2. Potencial de hinchamiento

La expansividad del suelo es una propiedad física que consiste en la

aparición de hinchamiento del suelo, cuando este aumenta su volumen por la

presencia de agua. Siendo una característica a evaluar mediante la determinación

del potencial de expansión propio de una muestra.

El potencial expansivo o de hinchamiento de un suelo, depende de las

siguientes variables:

La composición mineralógica de la arcilla

Índice de plasticidad

Variación de humedad

El peso especifico seco del suelo

Potencial del estrato activo

Fatiga de la expansión

21

2.5. Factores que intervienen en el fenómeno de la expansión

2.5.1. La composición mineralógica de la arcilla

La composición mineralógica de la arcilla se refiere a la naturaleza y tipo de

arcilla analizada, correspondiente principalmente al porcentaje de illita, caolinita y

montmorillonita presentes en una muestra, las cuales resultan fundamentales en

la evaluación del potencial expansivo del suelo en estudio. De este modo,

reafirmando lo expuesto anteriormente, los suelos expansivos por excelencia son

aquellos que poseen un alto porcentaje de montmorillonita.

Figura 2-8. Relación entre el porcentaje de expansión y el componente de arcilla.

Fuente: Arellano C. Guillermo, Caracterización de los suelos expansivos. Perú, 2008.

22

2.5.2. Índice de Plasticidad (IP).

El Índice de plasticidad se define como la diferencia numérica entre el

Límite Liquido y el Límite Plástico.

Un Índice de plasticidad bajo, como por ejemplo del 5%, significa que un

pequeño incremento en el contenido de humedad del suelo, lo transforma de

semisólido a la condición de líquido, es decir, resulta muy sensible a los cambios

de humedad. Por el contrario, un índice de plasticidad alto, como por ejemplo del

20%, indica que para que un suelo pase del estado semisólido al líquido, se le

debe agregar gran cantidad de agua. En suelos no plásticos, no es posible

determinar el Índice de plasticidad. El díagrama de plasticidad indicado en la figura

siguiente, según los Límites de Atterberg, permite diferenciar el índice de

plasticidad de limos y arcillas, en función del Límite Líquido.

El Índice de plasticidad define el campo plástico de un suelo y corresponde,

por lo tanto, a un parámetro influyente en la determinación del potencial de

expansividad.

23

Carta de Plasticidad de Casagrande para suelos cohesivos.

Figura 2-9. Carta de Plasticidad de Casagrande (según ASTM D-2487-93)

24

2.5.3. Límites de Consistencia de Atterberg.

Límite líquido

Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento

normalizado en que una mezcla de suelo y agua, capaz de ser moldeada, se

deposita en la Cuchara de Casagrande, y se golpea consecutivamente contra la

base de la máquina, haciendo girar la manivela, hasta que el surco que

previamente se ha recortado, se cierre en una longitud de 12 mm (1/2"). Si el

número de golpes para que se cierre el surco es 25, la humedad del suelo (razón

peso de agua/peso de suelo seco) corresponde al límite líquido.

Límite plástico

Esta propiedad se mide en laboratorio mediante un procedimiento

normalizado pero sencillo consistente en medir el contenido de humedad para el

cual no es posible moldear un cilindro de suelo, con un diámetro de 3 mm. Para

esto, se realiza una mezcla de agua y suelo, la cual se amasa entre los dedos o

entre el dedo índice y una superficie inerte (vidrio), hasta conseguir un cilindro de

3 mm de diámetro. Al llegar a este diámetro, se desarma el cilindro, y vuelve a

amasarse hasta lograr nuevamente un cilindro de 3 mm. Esto se realiza

consecutivamente hasta que no es posible obtener el cilindro de la dimensión

deseada. Con ese contenido de humedad, el suelo se vuelve quebradizo (por

pérdida de humedad) o se vuelve pulverulento. Se mide el contenido de humedad,

el cual corresponde al límite plástico.

Límite de contracción

Esta propiedad se manifiesta cuando una pérdida de humedad no trae

consigo un cambio de volumen. Es el contenido de humedad entre los estados de

consistencia semisólido y sólido. Para su obtención en laboratorio se seca una

porción de suelo (humedad inicial y volumen inicial conocidos) a 105ºC/110ºC y se

calcula la humedad perdida.

25

Figura 2-10 Diagrama Límites de Consistencia de Atterberg. Fuente: Elaboración Propia

26

2.5.4. La variación de humedad

La variación en el contenido de humedad del suelo, es un factor

fundamental en la expansión del mismo. 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 con variaciones en el contenido de humedad del

suelo de sólo 1 o 2 %, para causar hinchamientos y producir daños en las

estructuras.

El contenido de humedad inicial del suelo controla la magnitud del

asentamiento. En arcillas con contenido de humedad por debajo del 15%, se

espera un riesgo de expansión alto, pues fácilmente pueden llegar a absorber

contenidos de humedad de 35% con los consecuentes daños estructurales. Por

el contrario, en 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.

2.5.5. Capilaridad del suelo ante la presencia de nivel freático:

La capilaridad es un fenómeno físico característico de los líquidos, que se

estudia con un “tubo capilar” (tubo de vidrio de pequeño diámetro) introducido en

un recipiente que contiene al líquido. La capilaridad es el fenómeno que permite

que el líquido ascienda dentro del tubo, en contra de la gravedad, hasta una altura

llamada altura capilar. Esta altura capilar dependerá de la tensión superficial, la

fuerza de adhesión entre el líquido y el material del tubo capilar (ángulo de

contacto, α) y el diámetro del tubo capilar. Este mismo fenómeno se presenta en

los suelos con presencia de nivel freático. Del nivel freático hacia arriba, se

desarrolla una altura capilar, es decir, que el agua asciende a través de los poros

del suelo y se forma una franja capilar. En esta franja capilar, el suelo está

27

saturado pero con una presión de agua negativa. En el modelo mecánico el

diámetro del tubo capilar es análogo al diámetro de los vacíos o poros formados

por las partículas de suelo. Por lo tanto, se establece que la altura capilar en los

suelos de grano fino es mayor que en los suelos de grano grueso. Esto explica

que el fenómeno de capilaridad se produzca con mayor potencial en los suelos

arcillosos. Así la altura capilar en las arcillas expansivas puede alcanzar grandes

valores generando saturación en gran parte de la masa de suelo situada por

encima de la presencia de nivel freático. La saturación del suelo puede llegar, en

ciertos casos, a alcanzar partículas muy distantes del nivel freático, producto de la

humedad, a causa de un alto potencial de ascenso por capilaridad.

2.5.6. Densidad seca

Las arcillas densas se expanden más y presentan mayores presiones de

expansión que las de menor densidad, con el mismo contenido de humedad

inicial. Los suelos expansivos con densidades secas superiores a los 1,75 ton/m3,

generalmente exhiben altos potenciales de expansión. Puesto que las densidades

secas se reflejan en las resistencias a la penetración estándar, las arcillas

expansivas con valores de "N" inferiores a 15 indican densidades secas bajas y

riesgo expansivo bajo. Mientras que para resistencias superiores a los 15 golpes

generalmente poseen un alto potencial de expansión.

28

2.5.7. Potencial del estrato activo

La profundidad en un suelo a la que ocurren cambios periódicos de

humedad se llama zona activa, correspondiente a la faja de terreno de arcillas

plásticas, que causan un efecto sobre la estructura.

Se ha estudiado mediante ensayos de laboratorio, el efecto del espesor del

estrato en la magnitud total del hinchamiento. Los resultados de estos muestran

que la magnitud del cambio volumétrico experimentado por el suelo es

proporcional al espesor del estrato.

Si un estrato expansivo posee un espesor muy delgado (generalmente

menor de 60 cm.), es factible esperar un daño relativamente pequeño sobre las

estructuras. Además cabe destacar que el espesor del estrato está limitado por la

profundidad del nivel freático, ya que se espera que debajo de él no existan

variaciones de humedad.

29

2.5.8. Fatiga de la expansión

Al igual que para el potencial del estrato activo, la fatiga de la expansión ha

sido estudiada mediante ensayos de laboratorio, sobre muestras sometidas a

ciclos de saturación y secado, las cuales mostraron señales de fatiga después de

varios ciclos.

Este fenómeno no ha sido todavía suficientemente investigado. Pero se ha

advertido que en pavimentos sometidos a variaciones estacionales en el contenido

de humedad, este tiende 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.

Figura 2-11 Gráfico curva de fatiga de la expansión del suelo tras

ciclos de saturación y secado. Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de cimentaciones.

Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.

30

2.6. Evaluación del potencial expansivo

La evaluación del potencial expansivo del suelo se clasifica en dos grandes

categorías, las cuales se establecen como métodos indirectos y directos. Mientras

que su desarrollo y explicación se presentan en el capítulo 3 correspondiente a

métodos de identificación.

Métodos indirectos de determinación del potencial expansivo del suelo.

La determinación del potencial expansivo mediante métodos indirectos se

basa en los ensayos de Límite de Atterberg, la contracción lineal, el contenido

coloidal y cambio de volumen potencial (PVC), entre otros.

Métodos directos de la expansión del suelo.

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

- Hinchamiento libre

31

CAPÍTULO 3 MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN

3.1. Generalidades.

En la identificación de los suelos expansivos se debe distinguir entre los

suelos que tienen la facilidad de expandirse, y los que realmente presentan

características expansivas en terreno. A su vez, los suelos con capacidad de

expansión pueden o no hacerlo, y su comportamiento dependerá de la condición

física del material en que se funda la construcción y de los cambios de esfuerzo y

humedad a los que esté sometido.

El fenómeno en los suelos expansivos 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 pierde.

3.2. Identificación Visual

Los suelos expansivos tienen una consistencia pegajosa al ser mojados.

Además se caracterizan porque al secarse muestran grietas superficiales y

poseen alta plasticidad.

Si se observa el terreno se encuentran grietas, las cuales se deben al

fenómeno de expansión y contracción que sufre la superficie de estos suelos

cuando varía su humedad, de alta a baja.

Mediante la inspección visual del terreno, se puede identificar

características varias de los suelos expansivos como por ejemplo: En estado seco,

presenta grietas superficiales producto del ciclo de variación de humedad, aspecto

de terrón y alta dureza. Al cortarlo presenta un aspecto vidriado. En estado

32

húmedo, el suelo es muy blando y algo pegajoso (en presencia de limos), dejando

un residuo en los dedos luego de amasarlo.

Figura 3-1. Identificación Visual, estrato de arcilla expansiva. Fuente: Imagen Propia

3.3. Identificación mineralógica

Existen varios métodos para la identificación mineralógica. Dentro de los

más utilizados y recomendados se tiene:

3.3.1. La Difracción de Rayos X

Este método permite conocer la composición mineral del suelo que

constituye la muestra a ensayar. La utilización de Rayos X, sirve como

herramienta de análisis y caracterización de materiales cristalinos, ya sea en

estado sólido o granulado.

33

3.3.2. El análisis térmico diferencial

Mide la diferencia de temperatura entre la muestra y un material inerte de

referencia, mientras son sometidos al mismo programa de temperaturas. El horno

va incrementando la temperatura en forma gradual de tal forma, que el material

ensayado incorpora energía hasta un punto en el que se produce la reacción

absorbiendo o cediendo calor, con el consiguiente cambio de ritmo de incremento

de la temperatura. Tanto el incremento gradual de la temperatura, así como las

variaciones que producen las reacciones, son registradas por un sistema de

termocuplas, mostrando el patrón que corresponde al material estudiado. Esto se

explica debido a que cuando las arcillas son sometidas a un incremento de

temperatura, sufren alteraciones que se traducen en pérdidas de peso, reacciones

endotérmicas y exotérmicas, transformaciones mineralógicas, dilataciones y

contracciones, las cuales proporcionan datos que permiten caracterizar el tipo de

arcilla.

3.3.3. El análisis químico y la absorción de tinte

Consiste en aplicar un tratamiento químico termo ácido a una arcilla natural,

la cual se activa mediante esta solución, para posteriormente ser probada como

material absorbente de colorante. Se realiza un seguimiento de los efectos de la

activación sobre la estructura y composición de la arcilla, para finalmente

caracterizar su composición mineralógica de acuerdo a su respuesta ante las

situaciones sometidas.

3.3.4. La microscopia electrónica El estudio por microscopía electrónica de barrido (sem), consiste en la

observación con aumentos (X), que varían desde X200 hasta X10000 aumentos,

sobre una muestra. De este modo, se puede conocer su conformación general, y

34

se obtiene información relacionada a la morfología de los materiales y sus

dimensiones.

Acorde a lo establecido anteriormente en el contenido de esta memoria,

dentro de los grupos más importantes en que se clasifican los minerales arcillosos

se tiene: illita, caolinita y montmorillonita, compuestos por hidroaluminosilicatos,

los cuales pueden ser detectados mediante los ensayos mencionados,

permitiendo determinar la presencia de cada especie o grupo mineralógico, siendo

concluyente la detección de montmorillonita, especialmente porque es el mineral

predominantemente expansivo dentro de estas categorías.

“El procedimiento hoy más conveniente es la difracción de Rayos X, pues el

análisis térmico diferencial no permite obtener definiciones concretas y el

microscopio electrónico, especialmente el de barrido, en general entrega

información respecto a las partículas contempladas, pero el campo es tan

pequeño que no permite un juicio seguro sobre el conjunto, ya que los suelos

presentan una mezcla de diversas especies.”3

Figura 3-2 Identificación mineralógica por microscopia electrónica Fuente: coleccion.educ.ar

3 Jiménez Salas, José A. “Geotecnia y Cimientos III. Primera Parte. Cimentaciones, Excavaciones y

Aplicaciones de la Geotecnia”. Editorial Rueda, Madrid 1980.

35

3.4. Identificación por métodos indirectos

Estos métodos consisten en determinar el potencial expansivo del suelo de

una forma cualitativa, en base a medidas directas de la expansión del suelo sobre

muestras remoldeadas compactadas en condiciones prefijadas de humedad y

densidad. Este tipo de identificación se basa en los ensayos de Límite de

Atterberg, la contracción lineal, el contenido coloidal y cambio de volumen

potencial (PVC), entre otros.

3.4.1. Método de Lambe

Del ensayo de Lambe, se obtiene el índice PVC, correspondiente al método

de medida del cambio volumétrico, el cual se interpreta de la siguiente manera:

Tabla 1.1: Índice cambio potencial de volumen del ensayo Lambe

Fuente: Jiménez Salas, José. Geotecnia y Cimientos III. Cimentaciones, Excavaciones y

Aplicaciones de la Geotecnia”. Editorial Rueda, Madrid 1980.

3.4.2. Índice de plasticidad

Las características plásticas de los suelos, considerando tanto el límite

líquido y límite plástico, pueden ser usadas como un indicador primario de las

características expansivas de las arcillas. Es natural pensar en una relación como

la antes mencionada, ya que ambas dependen de la cantidad de agua que

absorbe una arcilla.

36

Así, se establece el siguiente criterio para evaluar el potencial de

hinchamiento según el índice de plasticidad.

Tabla 1.2: Relación entre el potencial de hinchamiento y el índice de plasticidad.

Fuente: Jiménez Salas, José. Geotecnia y Cimientos III. Cimentaciones, Excavaciones y

Aplicaciones de la Geotecnia”. Editorial Rueda, Madrid 1980.

3.4.3. Contraccion de las arcillas:

El Límite de Contracción es la propiedad que se manifiesta cuando una

pérdida de humedad no trae consigo un cambio de volumen. Es el contenido de

humedad entre los estados de consistencia semisólido y sólido.

Así, se establece el siguiente criterio para evaluar el potencial de

hinchamiento según el límite de contracción y la contracción lineal de las arcillas.

Tabla 1.3. Potencial expansivo y contracción de las arcillas.

Fuente: Badillo Juárez, Rodríguez Rico.. “Mecánica de Suelos – Tomo II Teoría y

Aplicaciones de la Mecánica de Suelos”. Editorial Limusa. 1989, México.

37

3.4.4. Contenido de Coloides

Dentro de los materiales que tienen un tamaño inferior a 74 micras están los

limos y las arcillas. Desde el punto de vista del tamaño se consideran 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.

Figura 3-4. Identificación por métodos indirectos. Contenido de coloides comparación de tamaño de partículas.

Fuente: Elaboración Propia

Así 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. (Peso Unitario Seco Máximo)

Según Proctor Estándar.

C = Porcentaje de fracción arcilla (partículas menores a 0.002 mm).

38

x = exponente que depende del tipo de arcilla

k = Coeficiente que depende del tipo de arcilla.

x y k, indican el tipo de partículas coloidales presentes, y se determinan a

través de ensayos de difracción por Rayos X.

Se ha establecido, también, criterios para considerar la granulometría por

sedimentación de finos, evaluando el peligro de hinchamiento de acuerdo a la

siguiente clasificación:

Tabla 1.4 Evaluación del peligro de hinchamiento según contenido de coloide

Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de

cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.

Sin embargo este criterio no tiene en cuenta la especie mineralógica de los

finos presentes en las muestras analizadas, para ello se introduce la implicancia

de la especie, a través del concepto de la “actividad” de las arcillas.

3.4.5. Método del “Índice de la actividad de la arcilla”

El Método del “Índice de la actividad de la arcilla”, 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.( Peso Unitario

Seco Máximo) del Proctor Estándar, y con un contenido de humedad óptimo, y

sometidas a una sobrecarga de 1 Psi, (0,07 kg/cm2).

39

La actividad de la arcilla se define como: A = IP / (C-10)

IP: Índice Plástico,

C = % < 0.002 mm

Figura 3-5 Diagrama Método del “Índice de la actividad de la arcilla”. Fuente: Arellano C. Guillermo, Caracterización de los suelos expansivos. Perú, 2008.

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.

40

3.4.6. 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:

Figura 3-6. Gráfico relación típica entre el contenido de coloides, el Índice Plástico y el Límite de contracción.

Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de

cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.

Basado en las curvas presentadas Holtz propone el siguiente criterio para la

identificación de suelos expansivos:

Tabla 1.5 Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos.

Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de cimentaciones.

Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.

41

3.5. Identificación por métodos directos.

Los métodos directos para la identificación de suelos expansivos, consisten

en saturar el suelo en diferentes condiciones de carga para poder medir la

expansión que presente y graficar las variaciones de hinchazón.

Se reconocen dos parámetros que definen el Potencial de Hinchamiento,

los cuales son:

3.5.1. Presión de hinchamiento 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.

3.5.2. Hinchamiento libre Definido como el porcentaje de elevación máxima para presión nula en

relación a la longitud inicial de una 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 ha propuesto innumerables metodologías experimentales

que siguen distintas formas de operar. Las principales diferencias 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

42

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, verificándose que la

predicción del comportamiento resulta fuertemente influenciada por aquellas

variables, más precisamente, por el camino de tensiones seguido y el criterio de

saturación utilizado.

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.).

Figura 3-7. Identificación por métodos directos. Equipo edométrico para obtener parámetros de potencial de hinchamiento. Presión de

hinchamiento e Hinchamiento libre. Fuente: www.geotecnia.info

43

3.6. Análisis comparativo y efectividad de los métodos señalados.

Identificación Visual Se caracteriza por ser superficial y usualmente se realiza en calicatas.

Es muy difícil distinguir el tipo de suelo expansivo sólo observándolo, puesto que

se requiere especialización y experiencia.

Sólo entrega una probabilidad de aproximación

Identificación por Mineralogía Corresponde a una Identificación relativa.

Es posible que dos muestras den resultados parecidos.

Se necesita un análisis exhaustivo y acabado.

Identificación por Métodos Indirectos

Caracterización de datos muy variables.

Depende del suelo que se desea analizar para obtener el método adecuado.

No en todos los tipos de suelo se entregan resultados concluyentes.

Identificación por Métodos Directos Corresponde al procedimiento más adecuado.

Es el más preciso de todos los métodos.

Tiene como desventaja el tiempo de duración y ejecución de los ensayos.

Otorgan mayor precisión y veracidad en cuanto al grado de expansión del suelo.

44

3.7. NORMATIVA CHILENA RELACIONADA Mecánica de suelos y fundaciones: NCh179.Of1980 Mecánica de suelos - Símbolos, unidades y definiciones NCh1508.c2008 Geotecnia - Estudio de mecánica de suelos NCh1515.Of1979 Mecánica de suelos - Determinación de la humedad NCh1516.Of1979 Mecánica de suelos - Determinación de la densidad en el

terreno – Método del cono de arena. NCh1517/1.Of1979 Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 1:

Determinación del límite líquido. NCh1517/2.Of1979 Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 2:

Determinación del límite plástico. NCh1517/3.Of1979 Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 3:

Determinación del límite de contracción. NCh1532.Of1980 Mecánica de suelos - Determinación de la densidad de

partículas sólidas. NCh1534/1 .Of1979 Mecánica de suelos - Relaciones humedad / densidad-

Parte1: Métodos de compactación con pisón de 2,5 kg y 305 mm de caída.

NCh1534/2.Of1979 Mecánica de suelos - Relaciones humedad / densidad-Parte2:

Métodos de compactación con pisón de 4,5 kg y 460 mm de caída.

NCh1726.Of1980 Mecánica de suelos - Determinación de las densidades

máxima y mínima y cálculo de la densidad relativa en suelos no cohesivos.

NCh1852.Of1981 Mecánica de suelos - Determinación de la razón de soporte

de suelos compactados en laboratorio. (CBR)

Diseño sísmico: NCh433.Of1996 Diseño sísmico de edificios

45

CAPÍTULO 4 HISTORIA GEOLÓGICA Y FORMACIÓN DE LOS SUELOS

EXPANSIVOS. 4.1. Historia geológica y origen

Dentro de los conceptos básicos relativos a la formación y constitución de

las arcillas expansivas, se tiene que los minerales arcillosos provienen de la

meteorización química de las rocas, y su composición, que es variable, depende

tanto de las rocas de que proceden como también de las condiciones climáticas en

que se produjo la meteorización, y sedimentación.

“Algunas de las arcillas expansivas encontradas en los sectores pre

cordilleranos chilenos, estarían ligadas a procesos de meteorización de origen

hidrotermal. Lo cual demuestra que la historia geológica de la formación de estos

suelos está ligada a la sedimentación lenta en lagunas o cursos de agua muy

lentos, otorgando características de típico color oscuro, producto de la presencia

de materia orgánica, denominada vega”. 4

4 Rodríguez-Roa. Fundaciones en arcillas expansivas.

46

4.2. Mapa geológico de la Región Metropolitana

Figura 4-1 Mapa geológico de la Región Metropolitana. Fuente: http://es.slideshare.net/SoleRolando/entrega-clasificacin-de-suelos-rm

47

4.3. Delimitación de la zona de estudio:

Análisis de documento, “Suelo de fundación del gran Santiago. Gloria

Valenzuela. Instituto de investigaciones geológicas de Chile. Boletín n°33. 1978”. 4.3.1. Unidades Geomorfológicas constituyentes del suelo de fundación de

la Región Metropolitana.

Conos de depósitos fluviales

Depósitos de pumicita

Conos de deyección

Corrientes de barro

Sedimentos fluviales de afluentes menores

Depósitos lacustres:

Se encuentran en el sector norte de la zona. Su origen se debe a la

existencia de condiciones topográficas especiales, representada por

pequeñas depresiones en las cuales se produce una circulación restringida

de agua superficial que arrastra y deposita sólo sedimentos finos del tipo

limo y arcilla.

4.3.2. Clasificación de Suelos de Fundación del Gran Santiago.

Relleno artificial

Depósitos aluviales recientes

Depósitos de escombros de falda

Depósitos de corrientes de barro

Depósitos de conos de deyección

Arenas de lampa y colina

Depósitos de pumicita

Ripio del Mapocho

Ripio de Santiago

48

Zona de contacto y transición

Roca fundamental

Finos del noroeste

4.3.3. Finos del noroeste:

La delimitación de la zona de estudio, corresponde principalmente a la zona

en que se encuentran presentes los suelos denominados Finos del Noroeste. Esta

clasificación de suelos de fundación, es la principal área de la región, en que se

localizan las arcillas expansivas estudiadas en esta memoria.

Clasificación del suelo según U.S.C.S:

ML- CL – CH - MH

Origen y descripción:

Unidad constituida principalmente por lentes de limo y arcilla, con algunos

lentes de poco espesor de arena fina limosa, grava y ceniza volcánica. La unidad,

en general, presenta color pardo amarillento pálido con variación a pardo oscuro

que depende de su composición mineralógica, dada principalmente por

feldespatos, cuarzo, ferromagnesianos, minerales magnéticos y vidrio.

Determinaciones mediante Rayos X establecen que la fracción fina está

constituida principalmente por montmorillonita e illita.

Los materiales se han originado por un represamiento progresivo del

drenaje, debido al desarrollo de los conos correspondientes a los ríos Mapocho,

Lampa y el estero Colina.

49

Características como suelo de fundación:

Son adecuados para estructuras livianas, si se desea emplazar estructuras

mayores, es necesario efectuar un estudio previo de diseño para las fundaciones,

considerando lenticularidad, posición del nivel freático, compresibilidad y

permeabilidad.

Permeabilidad y nivel freático:

Sumamente baja, en promedio tiene un valor de 10-6 cm/seg.

El nivel freático se encuentra, en general, a poca profundidad de la

superficie (menos de 1 m.) y en algunos sectores aflora constituyendo zonas de

vegas. Como en los sectores de Lampa y Pudahuel.

Excavabilidad:

Debido a su baja consistencia se pueden excavar fácilmente con

herramientas manuales.

Conclusión:

Suelos de malas características de fundación, las que deben ser

cuidadosamente estudiadas en relación a su compresibilidad y resistencia.

50

Figura 4-2. Suelos de fundación de Santiago Fuente: “Suelo de fundación del gran Santiago. Gloria Valenzuela. Instituto de

investigaciones geológicas de Chile. Boletín n°33. 1978”.

51

Tabla 4-3. Mapa geomorfológico de la cuenca de Santiago Fuente: “Suelo de fundación del gran Santiago. Gloria Valenzuela. Instituto de

investigaciones geológicas de Chile. Boletín n°33. 1978”.

52

CAPÍTULO 5 DIAGNÓSTICO DEL SUELO DE FUNDACIÓN DE PROYECTOS

EMPLAZADOS EN LA ZONA DE ESTUDIO

5.1. Características del Análisis

En este capítulo se desarrolla el análisis de informes de resultados

obtenidos en ensayos de mecánica de suelos para un amplio número de obras

ejecutadas en la zona nororiente de la Región Metropolitana, analizadas en esta

memoria por la presencia de suelos expansivos.

Dentro de los informes de mecánica de suelo analizados, se establece el

estudio específico de proyectos emplazados en las comunas de:

Colina

Huechuraba

Lampa

Lo Barnechea

Quilicura

El estudio de Informes de Mecánica de Suelos, se basa principalmente en

el análisis estratigráfico de las zonas mencionadas, determinando la clasificación

de suelo en profundidad, además del análisis de los resultados de laboratorio de

las muestras analizadas en cada proyecto, correspondientes a: Clasificación

USCS (granulometría, límites de Atterberg, peso específico y contenido de

humedad) y ensayos de hinchamiento.

53

Los ensayos de hinchamiento específicos para cada muestra, corresponden a:

Hinchamiento libre

Presión de hinchamiento

Dentro de los alcances de los informes analizados, se entregan

recomendaciones para el diseño de las fundaciones, para proyectos de

construcción de viviendas de hasta tres pisos.

54

5.2. Análisis de resultados de ensayos en proyectos ubicados en la zona de estudio.

5.2.1. Clasificación del grado de expansión

En la tabla siguiente se presentan los criterios más aceptados para el

reconocimiento de los suelos expansivos, basados en altos valores del límite

líquido, del índice de plasticidad, % de hinchamiento libre, contenido de partículas

coloidales y bajos valores del límite de contracción. Estos criterios se verifican en

laboratorio mediante ensayos de las propiedades e índices correspondientes.

Tabla 1.6 Clasificación grado de expansión de los suelos expansivos.

% hinchamiento libre

Límite Líquido

Índice Plástico

Límite de Contracción

% de humedad

Contenido de coloide (<0.001 mm) en %

Grado de Expansión

> 30 > 63 > 35 < 11 < 15 > 28 Muy Alto 20 - 30 50 - 63 25 - 41 7 - 12 15 - 25 20 - 31 Alto 10 - 20 39 - 50 15 - 28 10 - 16 25 - 30 13 - 23 Medio

< 10 39 < 18 > 15 > 30 < 15 Bajo

Fuente: Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de cimentaciones.

Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.

De este modo se utiliza la tabla anterior como parámetro para efectuar la

clasificación del grado de expansión de los suelos ubicados en la zona de estudio.

Así, a partir de los resultados presentes en cada informe de los proyectos

analizados, se puede categorizar el grado de expansión que presenta el suelo de

cada uno de ellos, considerando en primer lugar los parámetros que prevalecen en

dicho razonamiento, en el orden siguiente: % de hinchamiento libre, límite líquido,

índice de plasticidad, límite de contracción, % de humedad natural de la muestra y

contenido de coloide. Esta lógica se explica considerando que el primer parámetro

% de hinchamiento libre, corresponde a un método directo de identificación, con la

propiedad de ser más preciso y otorgar mayor veracidad en cuanto al grado de

expansión de la muestra de suelo. Los parámetros siguientes van de la mano y

55

corresponden al límite líquido e índice de plasticidad, siendo éste último la

diferencia numérica entre el límite líquido y el límite plástico de la muestra,

definiendo el campo plástico del suelo, categórico en la determinación del

potencial expansivo de las arcillas estudiadas, pues se definen principalmente

como arcillas de alta plasticidad. El cuarto parámetro, límite de contracción,

también corresponde a uno de los límites de Atterberg, y manifiesta cuando una

pérdida de humedad no trae consigo un cambio de volumen. El quinto parámetro

es el % de humedad natural de la muestra, el cual controla el riesgo de expansión,

pues indica el posible cambio de humedad que podría experimentar la muestra.

Por último se considera el sexto parámetro correspondiente al contenido de

coloides de la muestra, el cual evalúa la magnitud de la expansión de ésta,

vinculada con la cantidad o fracción de partículas de tamaño arcilla presentes en

el suelo, sin embargo posee la desventaja de no considerar la naturaleza

mineralógica.

56

5.2.2. Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos.

Tabla 1.7 Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos (1).

Fuente: Elaboración Propia

57

Tabla 1.8 Resultado del análisis de informes de mecánica de suelos (2).

Fuente: Elaboración Propia

58

5.2.3. Clasificación de muestras de suelo según sistema USCS.

Figura 5-1. Diagrama Clasificación de muestras de suelo de los diferentes

informes analizados según sistema USCS. Fuente: Elaboración Propia

59

5.2.4. Selección de dos proyectos representativos para entregar análisis y desarrollo de soluciones constructivas.

A partir de los resultados del análisis anterior, se seleccionan dos proyectos

representativos, (por su potencial de expansión) los cuales serán analizados

particularmente para entregar soluciones constructivas para viviendas

habitacionales ubicadas en terrenos con presencia de suelos expansivos. Estos

son:

Conjunto habitacional Valle Grande, Comuna de Lampa, Región Metropolitana.

NOVATERRA.

50 Casas Av. Chamisero, Comuna de Colina, Región Metropolitana.

INMOBILIA.

60

CAPÍTULO 6 SISTEMAS DE SOLUCIÓN ANTE SUELOS EXPANSIVOS

6.1. Clasificación de sistemas de solución

Los sistemas de soluciones constructivas se pueden clasificar en dos

grupos: actuación sobre la estructura, y principalmente actuación sobre el terreno.

6.1.1. Soluciones constructivas que actúan sobre la estructura

Este tipo de soluciones consiste en reforzar las estructuras para resistir el

levantamiento, o construir cimentaciones profundas aisladas debajo de la

profundidad de la zona activa.

Para la estructura se pueden escoger las siguientes soluciones de

fundaciones:

Pilotes

Fundaciones superficiales

Losa de fundación

6.1.2. Soluciones constructivas que actúan sobre el terreno

Sustitución

Estabilización

61

6.1.2.1. Métodos de Sustitución:

Consiste en reemplazar el suelo expansivo bajo la cimentación,

sustituyéndolo por otro tipo de suelos, de mejor calidad y compactado

adecuadamente. Los materiales que se pueden usar de relleno, no deben ser

expansivos y en lo posible, deben tener una baja permeabilidad para evitar que el

agua llegue a los materiales arcillosos y expansivos subyacentes.

Con la tecnología actual, la sustitución de suelos puede ser considerada

como una de las mejores opciones para eliminar el problema de las arcillas

expansivas.

La desventaja de esta alternativa radica en la ejecución de la misma, pues

para llevarla a cabo se necesita maquinaria pesada para remover el material

expansivo, y del mismo modo, para rellenar de material que no lo sea, lo cual

podría resultar un tanto costoso.

62

6.1.2.2. Métodos de estabilización:

Este método consiste en cambiar la naturaleza del suelo expansivo

mediante estabilización química.

La estabilización química con ayuda de cal y cemento ha tenido éxito en

proyectos ejecutados en el extranjero específicamente en España, donde se han

establecido incluso normativas para el uso de estos métodos. En la mayor parte

de los casos, una mezcla que contenga aproximadamente 5 % de cal es suficiente

para otorgar estabilización del terreno, y permitir la cimentación de un proyecto.

Dentro de las formas de aplicación de este método de estabilización de

suelo expansivo, se presenta la inyección a presión de lechada de cal o de

lechada de cal y ceniza volátil, la cual se aplica usualmente hasta una profundidad

de 4 metros. Otorgando a esta zona mayor estabilidad y resistencia por efectos de

la cementación y por ende mayor cohesión entre sus partículas.

En construcción, la utilización de un determinado material o procedimiento

constructivo se hace casi siempre por razones económicas. El caso de los

tratamientos y estabilización con cal, es un ejemplo de ello, pues puede

alcanzarse una solución técnica y económicamente ventajosa. Lo anterior

considera el aprovechamiento del material natural, pues no se requiere material de

préstamo, se evitan las operaciones de transporte y acopio, además de una

mejora de las condiciones de trabajo y productividad, pues disminuyen los costos

de obra, alcanzando un mejor rendimiento y cumplimiento de los plazos de

ejecución.

63

6.2. Alternativas de solución y control para suelos expansivos presentes en la zona en estudio.

Los sistemas especiales utilizados para dar solución ante la presencia de

suelos expansivos a analizar en esta memoria, conjugan en gran manera las

soluciones establecidas en la clasificación anterior y son los siguientes:

Remoción del suelo expansivo hasta el punto crítico.

Losa rígida apoyada sobre pilotes

Estabilización con cal

6.2.1. REMOCIÓN DEL SUELO EXPANSIVO HASTA EL PUNTO CRÍTICO.

Este sistema consiste en determinar la profundidad a partir de la cual el

cambio de volumen no es significativo, al ser mínimo el cambio del contenido de

humedad del suelo. Por ende el cambio volumétrico no tendrá incidencia sobre la

estructura.

La remoción y posterior remplazo del suelo, se puede efectuar hasta el

denominado punto crítico. Este punto se determina analizando factores como:

influencia del espesor del estrato, presencia del nivel freático y cota de patio

proyectada.

El punto crítico está ligado a la profundidad del estrato expansivo, en zonas

de profundidad limitada o en ocasiones con profundidades mayores, la sustitución

puede ser parcial. Se elimina así la capa superior que es la más activa, y las

irregularidades que puedan producirse en la superficie del terreno expansivo, se

dispersan a través del “colchón” de material estable, generando esfuerzos

despreciables sobre las estructuras.

64

Un error común seria pensar que el espesor a sustituir es el

correspondiente a la profundidad del estrato expansivo. Ya que la mayor parte del

movimiento se produce en las capas superiores. Sólo por esto, la sustitución de la

mitad de la capa expansiva reduciría los movimientos expansivos, en términos

relativos, a un grado menor que la cuarta parte. Pero, además, la capa sustituida

rompe la transmisión capilar, y puede disminuir todavía más las variaciones de

humedad y de volumen. Para ello, conviene que sea granular bien graduado, con

algo de finos. Por otra parte, la presencia del estrato de suelo más rígido que la

arcilla, produce una disminución de la expansión de ésta, por el peso propio del

relleno como si se tratara de una placa, lo que disminuye los efectos sobre las

estructuras.

A través del análisis de un amplio número de casos de proyectos

emplazados en la zona de estudio (Finos del Noroeste), llevados a cabo,

considerando este tipo de solución y ante su buena respuesta mecánica a lo largo

de su historia, se ha establecido una demostración empírica; determinando que

dentro de un rango entre 1,0 a 1,3 metros de profundidad la variación de humedad

es mínima y prácticamente ya no incide sobre el suelo expansivo. Además, se

considera que la influencia del cambio de nivel de la napa subterránea que oscila

en promedio, 1,0 m. entre temporadas (invierno – verano), tampoco genera un

efecto significativo sobre un estrato arcilloso de características expansivas,

producto de la estabilización de la variación de humedad dentro de ese rango, ya

que la propia capilaridad genera una condición de saturación del estrato superior.

De acuerdo a lo establecido, la profundidad de la zona activa se identifica

como la máxima profundidad a la que se observan fluctuaciones estacionales de

humedad. La zona activa y su extensión se presentan en el siguiente esquema.

65

Figura 6-1 Profundidad de la zona activa y variación estacional de la

humedad Fuente: NSR-97. Capitulo h.6. Suelos con características especiales.

Para la ejecución de este método de solución se establece que ante la

remoción y posterior sustitución de una fracción o capa del suelo expansivo, se

considere como mínimo una capa adicional a remover de 20 cm bajo la capa

activa.

De este modo, se plantea como recomendación conservadora de acuerdo a

la experiencia y a lo planteado anteriormente, que para el uso de alternativas

simples de cimentación, como son el uso de losa o de zapata, si el estrato de

suelo de relleno sobre el que se apoyan los cimientos es aproximadamente 1,5

metros de suelo granular bien graduado, de alta compacidad, con algo de finos

(20-25%), no existe riesgo de movimiento en la fundación, cuando se apoya la

misma sobre este material granular.

66

El uso de este método de solución plantea la siguiente incógnita, ¿Qué

pasa con las cargas excesivas generadas por este reemplazo en estratos de gran

espesor de suelos de alto potencial expansivo?, si se considera el criterio

planteado anteriormente (sustitución de 1,5 m de material expansivo), se

establece que el cambio de material arcilloso por un material granular de

reemplazo, genera una diferencia mínima de carga (ΔP) en el estrato inferior, la

cual no afecta mayormente al asentamiento de éste. A su vez el relleno de

material granular actúa sobre la capa de material expansivo, permitiendo el control

de éste, ante la presión de hinchamiento que podría experimentar la capa no

removida. Un ejemplo ante el planteamiento anterior, se muestra considerando

una capa a remover de acuerdo al criterio de 1,5 m de reemplazo, de un suelo

arcilloso de densidad γA=1,80 t/m3, por un relleno granular bien graduado y

compactado de γR=2,20 t/m3. Para el cual se obtiene una diferencia Δγ=0,4 t/m3

por lo tanto la diferencia de carga sobre el estrato inferior sería ΔP=0,6 t/m2.

67

6.2.1.1. Ejecución de la solución por método de remoción:

El proceso primario corresponde a la excavación, la cual se lleva a cabo

mediante equipos de excavación, normalmente retroexcavadora con pala de gran

tamaño. Una vez excavado el espesor correspondiente, se dejan taludes del orden

de entre 45° a 70°, lo cual en la práctica permite posteriormente el traslape y

superposición durante el proceso de compactación, garantizando la calidad del

relleno.

Figura 6-2. Excavación mediante maquinaria pesada. Fuente: www.egasso.com

Posterior a la excavación se desarrolla el reemplazo del material mediante

relleno compactado, en capas de 30 cm. Dentro de los factores relevantes de este

proceso, se cuenta con determinar el tipo de material de relleno, sus propiedades

y granulometría. En forma secuencial se llega al proceso de compactación, cuyo

objetivo es mejorar la capacidad de soporte del relleno, así como también

minimizar los asentamientos producidos en la utilización de rellenos masivos, los

cuales se limitan mediante la utilización de equipos vibratorios de gran tamaño.

68

6.2.1.2. Material de relleno

Se consideran 3 tipos de material de relleno.

Gravas arenosas:

Material típico de característica fluvial, es barato considerando que se

obtiene de la rivera del río Mapocho y río Maipo. Los granos de este tipo de grava

son de canto redondeado, el tamaño máximo de grano es de 4”. Material de bajo

contenido de fino, no debe excede el 20% de fino bajo el Tamiz N°200 ASTM. Su

contenido de humedad se puede controlar mediante la limitación del contenido de

fino para no exceder la humedad óptima obtenida por el (Proctor Modificado). Esto

se debe a que el fino se arrastra y transmite humedad puesto que tiene la facultad

de retenerla, lo que puede dificultar alcanzar un alto grado de compacidad, si se

excede la humedad óptima.

Material de Cantera:

Este material se obtiene particularmente en el sector de estudio en los

cerros de Chamisero Colina. Corresponde a fragmentos rocosos que producto del

corte de cerros originan gravas angulosas, de un tamaño máximo de 4”, y

contenido de finos del orden de 20%. Este material posee mayor capacidad de

soporte producto del elevado ángulo de fricción interna ø, por los cantos

angulosos de las partículas que lo conforman.

Pumicita:

Material de origen volcánico proveniente del sector de Pudahuel y Maipú.

Fácil de conseguir y transportar. Posee un alto contenido de material fino

(aproximadamente 35%). Este posee la desventaja de requerir mano de obra

69

especializada para el procedimiento de ejecución que permita controlar la

humedad del relleno debido al alto contenido de finos bajo tamiz N°200 ASTM.

Dentro de las ventajas, se cuenta la confiabilidad del control in situ por

sobre el material granular, pues en este último se producen errores de medición

por presencia de bolones, mientras que la pumicita es un material más

homogéneo y sus mediciones son más cercanas o confiables con respecto al

patrón de referencia. No obstante la pumicita posee una menor capacidad de

soporte y a la vez mayores niveles de asentamiento si se compara con las gravas

arenosas y con el material de cantera.

6.2.1.2.1. Propiedades mecánicas de referencia Para la condición de material de relleno, se pueden adoptar, conservadoramente,

las siguientes propiedades mecánicas.

Tabla 1.9. Propiedades de Material de Relleno

Pumicita Grava arenosa, con

algo de finos Material de Cantera

ø= 30° ø= 40° ø= 50°

c= 0,5 t/m2 c= 0,5 t/m2 c=0 t/m2

E= 1000 a 1200√z t/m2 E=4000 √z t/m2 E=4500 √z t/m2

ν= 0.35 ν= 0.25 ν= 0.20

Fuente: Elaboración Propia

Granulometría:

En la ejecución de los rellenos, el tamaño máximo corresponde a 1/3 del

espesor de capa medida en estado suelto. Así para una capa normal sin

compactar de 30 cm, se recomienda un tamaño máximo de partícula de 4”.

70

6.2.1.3. Ejecución del relleno estructural

El espesor de capa en estado suelto recomendable es de 30 cm. Para

controlar el asentamiento a largo plazo, se requiere alcanzar una densidad seca in

situ igual o mayor al 95% de la DMCS obtenida por el ensayo Proctor Modificado,

ya que esta condición otorga control del exceso de asentamiento diferencial

adoptando un modelo geotécnico representativo de la condición real del relleno,

pudiendo modelar o predecir los asentamientos frente a las cargas actuantes.

El sobre ancho de pasada del equipo compactador es aproximadamente 1

m. De este modo se pueden utilizar las propiedades de la grava para el control de

asentamiento Si y capacidad de soporte qadm.

6.2.1.4. Equipo de compactación para suelos granulares

Por carga estática y vibración se genera el reacomodo de partículas,

mediante equipos vibratorios de gran tamaño, con un peso estático mínimo de 10

toneladas, y realizando 6 pasadas por cada punto de cada capa a compactar, ya

sea por franjas a lo largo del terreno o por sectores dependiendo del presupuesto

del proyecto. Se debe realizar mediciones de densidad húmeda, densidad seca y

contenido de humedad, mediante el uso de densímetro nuclear. Estas se

comparan con la densidad de laboratorio, para alcanzar el nivel de compactación

adecuado. Se recomienda, que para encontrar en obra la mejor combinación entre

los factores de compactación, se debe llevar a cabo canchas de prueba que

permitan encontrar la combinación más adecuada para alcanzar como mínimo el

95% de la DMCS obtenida por el ensayo Proctor Modificado.

71

Equipo de compactación:

Figura 6-3. Equipo de Compactación y ejecución del proceso. Fuente: http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es/tag/compactacion/

Además, como dato adicional, se establece que para el caso de relleno, se

desprecia la densificación por sismos de mediana intensidad, esto se debe a que

el método de compactación se aplica por equipo vibratorio de gran peso dinámico.

Además, en caso de sismos de gran intensidad como el terremoto del 27 de

febrero del año 2010, se espera que la densificación se produzca de forma

homogénea y no se generen perjuicios en las estructuras por exceder

asentamientos diferenciales de fundaciones próximas.

6.2.1.5. Consideraciones ante presencia de napa.

Ante la presencia de napa, se debe considerar lo siguiente:

Control de napa a través de la succión del agua mediante pozos.

Uso de Geotextil (G-70) impide el paso de finos hacia el relleno y además

entrega estabilidad del sello de excavación.

Método de zampeado5, cuando no es posible estabilizar el sello de la

excavación masiva, para proceder con el relleno de sustitución.

5 Zampeado: Método de estabilización de una superficie de terreno cuando esta se presenta saturada, por

presencia o afloramiento de napa. Este método consiste en la colocación de capas de bolones de diversos

tamaños, mediante hincado simple y compactación. El propósito de este sistema es lograr estabilizar la superficie

ante el requerimiento constructivo, como la ejecución del relleno compactado.

72

6.2.1.6. Aplicación práctica de la solución de remoción de terreno y relleno estructural.

Conjunto habitacional Valle Grande. Comuna Lampa. NOVATERRA. Clasificación del terreno como Finos del Noroeste.

Constituido por material arcilloso de color café negruzco, de alta plasticidad, de

consistencia dura, bajo contenido de humedad, de estructura porosa y presencia

de grietas de secamiento.

El estudio comienza con el análisis de antecedentes geológicos y de

mecánica de suelos disponibles, a partir de la exploración del suelo de fundación,

determinando la estratigrafía del subsuelo de los cuales se extrajeron muestras,

para las cuales se efectuaron los ensayos pertinentes. Los resultados de las

exploraciones de terreno y de los ensayos de laboratorio e in situ, se analizan a

continuación.

MODELO ESTRATIGRÁFICO

Estrato Profundidad (m)

de a Descripción

H-1 0,00 - 0,20 Capa Vegetal

H-2 0,20 – 1,20

Arcilla color café oscuro a negro, plasticidad alta,

humedad alta a saturada, estructura porosa, raicillas

dispersas, grietas de 2 cm de espesor.

H-3 1,20 - 2,40

Arcilla limosa de color café claro, saturada,

consistencia semidura a dura, plasticidad baja a media,

estructura porosa.

H-4 2,40 - +3,00 Arena fina limosa a limo arenoso de color café claro,

saturado, compacidad alta y estructura homogénea.

Figura 6-4. Modelo Estratigráfico Conjunto Valle Grande Lampa.

Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande. Lampa.

73

En las fechas en que se realizaron las exploraciones (marzo y julio), el nivel

freático se detecto a profundidades entre 0,65 y 2,30 m.

De los resultados de la exploración, de los ensayos de laboratorio y de

propiedades medidas en suelos de similares características granulométricas y

origen geológico, se determinaron y adoptaron las siguientes propiedades

mecánicas del suelo de fundación.

Tabla 1.10. Propiedades mecánicas del suelo de fundación

Arcilla H-2 Relleno estructural

Arena Limosa (pumicita)

ø= 20° ø= 28° c =2,0 t/m2 c=0,75 t/m2 γ=1,8 t/m3 γ=1,4 t/m3

E=400+400z t/m2 E=1500 √z t/m2 ν= 0.40 ν= 0.30

Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande. Lampa.

La decisión de utilizar esta alternativa de solución que considera la

remoción del estrato de arcilla expansiva detectada en el terreno, y posterior

reemplazo por un relleno estructural de arena limosa (pumicita) compactada al

95% del Proctor Modificado, depende de las características del terreno, su análisis

estratigráfico, tomando en cuenta el espesor del estrato débil, y por último las

características del proyecto.

Para esta solución de reemplazo del suelo, se proponen 2 alternativas para

la fundación de las viviendas. Estas son la alternativa de fundación de zapatas y

cimiento continuo en relleno compactado, y la alternativa de fundación de losa en

relleno estructural.

74

Figura 6-5. Alternativas para fundaciones en relleno estructural. Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande. Lampa.

75

6.2.1.6.1. Alternativa de fundación de zapatas y cimiento continuo en relleno estructural

En este caso el suelo expansivo corresponde al estrato H-2, y se retira

hasta la profundidad indicada en la tabla 1.11 (Basada en el criterio conservador

para fundaciones, correspondiente a 1,5 m de espesor de relleno). Se considera

un sobre ancho de excavación de 0,60 m medidos desde la cara exterior del muro

perimetral de las viviendas. En reemplazo del suelo extraído se coloca un relleno

de arena limosa (pumicita) compactada, con control de densidad por cada capa

ejecutada.

Tabla 1.11 Recomendaciones de escarpes mínimos bajo viviendas.

Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande.

76

Tipos de fundaciones recomendados

En esta alternativa los tipos de fundaciones que se recomiendan son

zapatas aisladas bajo pilares y cimientos corridos bajo muros. Además de

sobrecimientos construidos armados mediante enfierradura, según indicaciones de

cálculo.

Profundidad y ancho mínimo de fundación

La profundidad mínima de fundación para esta alternativa es de 0,55 m

medidos desde la superficie de relleno compactado (se recomienda no sobrepasar

dicha profundidad), con ancho mínimo de fundación de 0,40 m.

Capacidad de soporte admisible

La presión de contacto estática a nivel de sello de fundación no debe ser

superior a la presión máxima admisible, y se determina por Hansen, según la

siguiente expresión:

Donde:

q: presión de contacto estática, en t/m2.

qadm: presión de contacto admisible por rotura del suelo, en t/m2.

B: Ancho de fundación en metros. (lado menor). L: largo de fundación en metros. D: profundidad de fundación en metros respecto de la superficie del relleno.

77

El valor determinado de la expresión anterior es válido para cargas

permanentes, y considera que el suelo de apoyo es un relleno arena limosa

compactada al 95% del Proctor Modificado. Para efectos de combinación de carga

estática más eventual (carga sísmica) el valor de qadm se podrá aumentar en un

50%.

Además de verificar que la presión de contacto de la fundación no sea mayor que

qadm, se debe verificar también el asentamiento máximo admisible.

Ejemplo de cálculo de capacidad de soporte sobre relleno estructural:

B = 0,40 m

L = 6,00 m

D = 0,55 m

Resulta q= 15,42 t/m2

6.2.1.6.2. Alternativa de losa de fundación sobre relleno estructural

En este caso el suelo expansivo de arcilla del estrato H-2, debe retirarse

hasta la profundidad que se indica en la tabla 1.11. Se considera un sobre ancho

de excavación y suelo de reemplazo con las mismas condiciones señaladas en la

alternativa anterior.

Tipo de fundación recomendada

La fundación para las viviendas proyectadas consiste en una losa de

fundación de espesor mínimo 15 cm, con nervaduras de 30 cm mínimo bajo los

muros. La armadura debe considerar requerimientos del calculista.

78

Profundidad y ancho mínimo de fundación

La losa de fundación puede ser apoyada en forma relativamente superficial

sobre el relleno estructural. Sus dimensiones deben ser las requeridas por la

planta de la vivienda. Donde se establece un enterramiento mínimo del nervio

perimetral de 35 cm, medido por el exterior.

Capacidad de soporte admisible

La presión de contacto estática a nivel de sello de la losa de fundación no

deberá ser superior a la presión máxima admisible, y se determina por Hansen,

según la siguiente expresión:

Donde:

q: presión de contacto en sello de fundación, en t/m2.

qadm: presión de contacto admisible por rotura del suelo, en t/m2.

B: Ancho de losa de fundación en metros. (lado menor). L: largo de losa de fundación en metros. (lado mayor)

Para efectos de combinación de carga estática permanente más eventual

(sísmica), se podrá aumentar el valor de qadm en un 50%.

La presión admisible de contacto determinada de la expresión anterior no es una

condición suficiente en el dimensionamiento de las fundaciones, las cuales deben

además ser verificadas por asentamientos máximos admisibles.

79

Ejemplos de cálculo: Losa de fundación:

B = 5,0 m

L = 8,0 m

Resultado q=14,43 t/m2

Asentamientos de las fundaciones en el relleno de sustitución. Tipo de asentamiento

Puesto que el suelo de apoyo correspondiente al relleno estructural es un

material de tipo granular o fino, los asentamientos de las fundaciones debido a las

cargas permanentes se producen en forma inmediata. Este asentamiento

instantáneo elástico debido a cargas permanentes se obtiene de la fórmula

basada en la teoría de elasticidad, mostrada a continuación:

Alternativa de fundación de zapatas y cimiento corrido en relleno estructural

Alternativa de fundación de losa en relleno estructural

Adicionalmente para este caso de losa de fundación se considera el asentamiento

por consolidación, dado por la siguiente expresión:

80

Donde:

Si : asentamiento elástico o inmediato en cm.

Sc : asentamiento por consolidación en cm.

q : presión de contacto promedio fundación-suelo, en t/m2.

B: ancho de fundación en metros. (lado menor). D: profundidad del sello fundación en metros.

Io: factor de forma

F3: factor de enterramiento

L: largo de fundación

H: espesor del estrato analizado

eo: índice de vacios

Cr: índice de recompresión

Po: presión inicial (ton/m2)

ΔP: incremento de presión debido a carga de la losa

Tabla 1.12. Factor de forma a usar en expresiones de asentamiento

Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande.

81

Tabla 1.13. Factor de enterramiento a usar en expresiones de asentamiento

Fuente: Informe de Mecánica de suelos N° 2184 Conjunto Valle Grande.

Asentamiento total admisible

El asentamiento máximo total admisible de cada fundación siendo continua

o aislada individual, se recomienda que no sea superior a 1/400 de la distancia

entre ejes paralelos transversales de muros y/o pilares. Este cálculo de

asentamiento garantiza una distorsión angular de muros en su plano vertical

inferior a 1/600, si se supone que el asentamiento máximo diferencial es igual a

2/3 del máximo total.

Para toda fundación aislada o corrida debe verificarse que el asentamiento

para cargas permanentes calculado no deberá exceder a 1,0 cm, tomando este

valor como parámetro de asentamiento admisible. Mientras que para losa de

fundación el asentamiento máximo admisible considera un rango que va desde

1,0 a 2,5 cm.

82

Ejemplo de cálculo de asentamientos: Alternativa de fundación de zapatas y cimiento corrido en relleno estructural

Cimiento corrido

B: 0,4 m

L: 6,0 m

D: 0,55 m

Io: 2,1

F3: 0,74

q: 15,0 t/m2 (supuesto)

Resulta un asentamiento de Si= 0,58 cm < 1,0 cm

Alternativa de fundación de losa en relleno estructural Asentamiento elástico

B: 5,0 m

L: 8,0 m

Io: 1,09

q: 4,0 t/m2 (supuesto)

Resulta un asentamiento de Si= 0,68 cm

Asentamiento por consolidación

B: 5,0 m

L: 8,0 m

ht: 1,5 espesor del relleno

q: 4,0 t/m2 (supuesto)

Resulta un asentamiento de Sc= 1,32 cm

Por lo tanto el asentamiento total St = Si + Sc = 2,00 cm < 2,5 cm, entonces cumple

con la restricción para asentamiento máximo en el caso de losa de fundación.

83

6.2.1.6.3. Procedimiento de ejecución del zampeado, para excavaciones en presencia de nivel freático:

El sello del escarpe no se compacta en presencia de napa, pues sólo se

producirá un amasado y una destrucción de la estructura del sello, dando

lugar a una condición de apoyo todavía más deficiente.

Sobre el sello de escarpe se coloca una primera capa de bolones de

tamaño entre 4 y 15” distribuidos de tal modo de cubrir la superficie a

estabilizar. Para ello se colocan primero los bolones de mayor tamaño y

luego entre ellos, los de menor tamaño.

Los bolones se hincan en el suelo mediante presión aplicada por la pala de

una excavadora.

En los sectores donde los bolones se hincan, quedando totalmente insertos

en el suelo, se coloca una nueva capa de bolones.

Luego se agrega arena, con el objetivo de rellenar los espacios que quedan

entre los bolones. La arena se coloca hasta tener una cobertura sobre la

superficie de los bolones de 10 cm de espesor aproximadamente.

Se coloca un geotextil Feltrex G-60 o similar sobre la superficie con

traslapos de 40 cm, para impedir el paso de finos hacia el relleno y además

entregar estabilidad ante la colocación de la primera capa del relleno.

Se coloca una primera capa de 20 cm de espesor de grava arenosa de

tamaño máximo 6” y contenido de fino tamiz 0,08 mm. no superior a 20%, y

se procede a realizar una compactación mediante 7 pasadas de rodillo

vibratorio de peso estático entre 1 y 2 ton, puesto que es necesario

estabilizar las capas de bolones antes de seguir con el relleno superior.

Finalmente se procede a la colocación del relleno compactado hasta

alcanzar el nivel contemplado en el diseño.

84

6.2.2. LOSA RÍGIDA APOYADA SOBRE PILOTES

Este método se utiliza en el área de edificación ya sea en altura como en

extensión, puesto que resulta económico sin necesidad del retiro o mejoramiento

del suelo. Consiste en disponer pilotes en el suelo y sobre estos, se lleva a cabo

una losa de piso autosoportante.

Figura 6-6. Esquema de fundación sobre pilotes. Fuente: Elaboración propia

Debido a la capacidad impermeable de las arcillas, el cambio de humedad

se produce cercano a la superficie, alrededor de 1,3 m de profundidad. Por esto el

espesor del estrato potencialmente expansivo es menor. De este modo un pilote

con una longitud media, se considera como una solución segura.

Las dimensiones de pilotes construidos según este sistema de solución,

varían de acuerdo al proyecto y características de la estratigrafía del terreno. Sin

embargo, se considera que la longitud de los pilotes varía en un rango que va

desde los 1,5 a 3,0 m. Así también el diámetro de estos elementos dependerá de

las características de la planta de la vivienda, análisis de las cargas solicitantes,

material del pilote, y tipo de ejecución del mismo.

85

6.2.2.1 Acción del suelo expansivo sobre pilotes.

Planteamiento

¿El suelo es capaz de levantar el pilote?

Figura 6-7. Pilote bajo acción del terreno Fuente: Elaboración Propia

La construcción cimentada sobre pilotes, debe transmitir las cargas a

puntos situados por debajo de la zona activa. Es una solución justificada donde se

esperan movimientos importantes en casos de edificaciones livianas.

El problema específico que plantean las arcillas expansivas es que actúan

sobre la parte superior de los pilotes, intentando levantarlos. Los pilotes tienen que

estar suficientemente anclados en la zona estable para no ser arrancados y, por

otra parte, deben tener armaduras suficientes para resistir la tracción. Además, la

arcilla puede producir sobre ellos empujes laterales.

El procedimiento busca llegar con una longitud adecuada del pilote bajo el

estrato potencialmente expansivo. Además, se pretende evitar la acción del suelo

sobre el pilote que produce levantamiento. Para ello, se considera una longitud

mínima adicional del pilote de 50 cm, bajo el estrato potencialmente expansivo o

capa activa.

86

El cálculo de la fuerza posible de tracción ha sido tratado por muchos

autores. Algunos establecen que la tracción puede tomarse igual al área del fuste

incluido en la capa activa, por la mitad de la resistencia al corte de la arcilla

inalterada. Mientras otros hacen, por su parte, la misma recomendación, pero

indicando que debe tomarse el valor de la arcilla en estado seco, antes de hinchar,

pues la movilización total de la resistencia al esfuerzo cortante se produce al

principio, con hinchamientos todavía muy pequeños.

Para el caso de solicitaciones laterales, aun cuando es reconocido por

algunos autores que el hinchamiento produce también empujes laterales sobre los

pilotes, ninguno los cuantifica.

87

6.2.2.2. Características del sistema de pilotes

Existen diferentes tipos, materiales y procedimientos para realizar este

sistema de fundación, los cuales se señalan a continuación:

Dentro de los tipos de pilotes a utilizar, se cuenta con las siguientes

alternativas:

A) Pilote hincado (prefabricado).

B) Hincado de camisa metálica, con hormigón armado al interior.

C) Excavación de fundación con hormigonado in situ.

Figura 6-8. Alternativas de tipo de pilote

Fuente: Elaboración propia

En cuanto a los materiales, los más utilizados actualmente, son el acero y

el hormigón armado. Su uso depende del cálculo estructural y también del estudio

geotécnico.

88

Dentro de los procedimientos para realizar la excavación de un sistema de

pilotaje, se puede mencionar los siguientes:

Excavación mediante el uso de maquinaria

Excavación manual

El uso de grandes maquinarias de excavación permite remover volúmenes

de suelo en menor tiempo. Sin embargo, en algunos lugares, el acceso a estos

equipos es muy costoso y difícil de conseguir.

La manera más frecuente de realizar excavaciones para pilotes, es la

excavación manual utilizando herramientas de excavación, tomando en cuenta

que mientras el encargado vaya ingresando a la profundidad del terreno, se debe

entibar las caras de la excavación para evitar deslizamientos.

89

6.2.2.3. Cálculo de capacidad de carga:

La capacidad de carga de un pilote puede ser calculada de dos maneras, la

primera por punta en compresión, que se llama resistencia a punta y la segunda,

por esfuerzo cortante a lo largo de una superficie lateral, llamado comúnmente

fricción lateral o “fuste”.

Los pilotes hincados en estratos débiles hasta alcanzar un estrato de mayor

resistencia, transfieren la mayor parte de carga por la punta. En cambio, en suelos

homogéneos, los pilotes transfieren la mayor parte de su carga por fricción lateral

y se los llama pilotes flotantes. Sin embargo, la mayoría de los pilotes desarrollan

ambas resistencias.

Figura 6-9. Resistencia de Pilotes por punta y por fuste Fuente. Elaboración Propia

Se plantea el equilibrio estático de las fuerzas sobre un pilote, para lo cual

se tiene, Qu que es la carga última en la cabeza del pilote, W que es el peso

propio del pilote y γmDAb que representa la carga de suelo previamente

soportada a nivel de base, que es remplazado por el peso del pilote. En otro lado

se hace equilibrio con las resistencias; Qs que es la suma de la fricción lateral,

más Qb la resistencia última en la base.

90

Figura 6-10. Capacidad de carga por transferencia al suelo

Fuente: Elaboración Propia

Donde, Qs y Qb se pueden describir como resistencias unitarias de la base

y fuste por el área respectiva, obteniéndose la siguiente expresión.

Donde; fsu es la resistencia unitaria ultima por fricción lateral, qbu es la

resistencia unitaria ultima en la base, As es el área lateral del pilote sobre la cual

se ejerce fricción positiva y Ap es el área de la punta del pilote.

En general, se considera que W y γmDAb son aproximadamente iguales, lo que

permite simplificar la expresión:

91

6.2.2.4. Resistencia Unitaria Última de Punta qbu

Los pilotes de punta transmiten cargas a través de agua o suelos blandos

hasta estratos con suficiente capacidad portante, por medio del soporte en la

punta del pilote. El valor de dicha resistencia se puede determinar mediante

diferentes métodos expuestos por diferentes autores, entre los más conocidos se

puede nombrar: El Método de Meyerhof, Método de Vesic y Método de Janbu.

Por Meyerhof – Vesic, qbu se puede obtener de la siguiente manera

qbu = c Nc + q´ Nq

Donde:

qbu : Resistencia unitaria última de punta

c : cohesión del suelo que soporta la punta

q´: esfuerzo vertical efectivo en la punta (γ*z )

Nc : factores de capacidad de carga que depende de la cohesión del suelo (c).

Nq : factores de capacidad de carga que depende del ángulo de fricción interna

del suelo (ø)

92

6.2.2.5. Resistencia unitaria última de fuste fsu

La resistencia por fricción superficial Qs se obtiene como el producto entre

la resistencia unitaria última de fuste fsu, y el área del pilote As.

Cálculo de la tensión de fuste fsu

Tensión de fuste en suelos granulares

A partir de:

La tensión de fricción establecida genéricamente se representa de la siguiente

manera:

fsu = ko σo´ tg (δ)

Donde:

ko: Corresponde al coeficiente de empuje del suelo, que relaciona las tensiones

horizontal y vertical, el cual varía de acuerdo al tipo de suelo y metodología

constructiva del pilote.

σo´: Esfuerzo vertical efectivo.

δ : Ángulo de fricción suelo-pilote, equivalente a 2/3 del valor del ángulo de fricción

interna del suelo.

93

Para pilotes hincados se tiene una compresión horizontal del suelo que

rodea al pilote, mientras que para un pilote excavado los suelos circundantes al

pilote se relajan disminuyendo su tensión horizontal.

Figura 6-11. Esquema relación k0 en excavación Fuente: Elaboración Propia

Donde:

σho: Tensión horizontal del suelo previo a la excavación.

σvo: Tensión vertical del suelo previo a la excavación.

σh: Tensión horizontal del suelo posterior a la excavación.

ko : Coeficiente empuje de suelo, relación de tensiones horizontal y vertical, previo

a la excavación.

k: Coeficiente empuje de suelo, relación de tensiones horizontal y vertical,

posterior a la excavación.

Para el caso del estudio de esta memoria se considera la segunda

metodología de pilote excavado, por esta razón el suelo sufre una relajación de

tensiones horizontales cuando es alcanzado por la excavación por lo tanto el valor

de ko disminuye en comparación al mismo suelo antes de que lo afecte la

excavación.

94

Tensión de fuste en suelos cohesivos

Para el análisis de la tensión de fuste en suelos cohesivos, se establecen

los métodos λ, α y β, siendo este último el más utilizado y descrito a continuación:

Método β A partir de la tensión general se tiene

fsu = β σo´

β = ko tg (ør) , con ør = ø/2

Donde:

σo´: Esfuerzo vertical efectivo

ør: Ángulo de fricción de arcilla remoldeada.

ko: Coeficiente empuje de suelo.

6.2.2.6. Capacidad de carga admisible

Qadm = Qu / F.S

Se establece que el coeficiente de seguridad para el caso del análisis de

esta memoria corresponde al caso de pilotes excavados en que se determina un

F.S ≈ 3, considerando peso propio y sobrecarga.

95

6.2.2.7. Análisis del asentamiento de pilotes:

El asentamiento total de un pilote (S) puede ser estimado a partir de tres

factores

S = S1+S2+S3

S1: Asentamiento debido a la deformación del pilote

S2: Asentamiento debido a la tensión de punta del pilote qbu

S3: Asentamiento debido a la tensión de fuste del pilote fsu

Asentamiento debido a la deformación del pilote S1:

Asentamiento debido a la tensión de punta del pilote S2:

Es: Modulo elástico del suelo en la punta

D: Diámetro del pilote

qp: Tensión de punta del pilote

αr: Factor de influencia relación para L=B,

para fundación circular. αr = 0,85

v: Relación de poisson

96

Figura 6-12. Gráfico factor de influencia

Fuente: Leoni Augusto. Transferencia de cargas al terreno 2da Parte,

Geotecnia I. Facultad de ingeniería U.N.L.P.

Asentamiento debido a la tensión de fuste del pilote S3:

QF: Carga que toma el fuste en condiciones de servicio

L : Longitud del pilote

p: Perímetro del pilote

D: Diámetro del pilote

Iwf: Coeficiente de influencia

Es: Modulo elástico del suelo en la punta

v: Relación de poisson

97

6.2.2.8. Eliminación de la acción del fuste sobre el pilote:

Dentro de la ejecución de este sistema de solución, se busca eliminar la

fricción con el terreno en la zona activa, por ende la acción del fuste, con la

finalidad de minimizar la probabilidad de que el terreno ejerza una presión sobre el

elemento pilote, y este se levante hasta el punto de ser arrancado.

Para el caso ideal o más favorable, se considera que la acción del fuste es

nula producto de la eliminación del roce. De este modo la ecuación simplificada es

la siguiente manera:

Una medida a ejecutar que resulta viable y permite generar el efecto de

eliminación del fuste, es la construcción de pilotes con la salvedad de separarlos

del suelo mediante diferentes técnicas que permiten aislarlo o minimizar el

contacto del roce con el terreno, para evitar la fricción y posterior levantamiento.

Dentro de estas técnicas se puede mencionar el uso de pilotes de acero liso o

pilotes de hormigón envueltos en una vaina de pvc o aislante geosintético. Ambos

métodos se diseñan conservadoramente por resistencia de punta.

98

6.2.2.9. Aplicación Práctica de la solución de Losa rígida apoyada sobre Pilotes

Casas Av. Chamisero, Comuna de Colina, Región Metropolitana. Inmobilia. Características:

Clasificación del terreno como depósitos de conos de deyección.

Predominio de suelos finos arcillosos con algo de arena, estos depósitos

están constituidos por materiales arrastrados por flujos ocasionales de agua de las

quebradas cordilleranas y depósitos por acción gravitacional.

Arcilla de color café negruzco, de alta plasticidad consistencia dura, bajo

contenido de humedad de estructura porosa, y presencia de grietas de

secamiento.

El estudio comienza con el análisis de antecedentes geológicos y de

mecánica de suelos disponibles, a partir de la exploración del suelo de fundación,

determinando la estratigrafía del subsuelo de los cuales se extrajeron muestras

para las cuales se efectuaron los ensayos pertinentes.

Los resultados de las exploraciones de terreno y ensayos de laboratorio e in

situ, permiten establecer el tipo de solución adecuado para este tipo de proyecto,

basado en el uso de pilotes, el cual se analiza a continuación.

99

MODELO ESTRATIGRÁFICO

Horizonte Profundidad (m) Descripción

H-1 0,00-0,60 Capa de suelo vegetal con relleno de arcilla con gravas

H-2 0,60-1,60

Arcilla de color café negruzco, humedad baja, consistencia muy dura,

plasticidad alta, estructura porosa-migajón, algunas raíces y raicillas,

grietas de tamaño máximo 15 mm

H-3 1,60-2,60

Arcilla algo arenosa de color café claro, humedad baja, consistencia

muy dura, plasticidad baja, estructura porosa-migajón, con gravas

dispersas de cantos angulosos, subangulosos y de tamaño máximo 4",

algunas raíces y raicillas

H-4 2,60-5,00 Arcilla limo gravosa, color café claro, humedad media, estructura

migajón homogénea, consistencia muy dura

H-5 5,00-9,00

Grava arcilla limo arenosa, color café claro, humedad media, estructura

homogénea, compacidad alta, presenta gravas de cantos angulares y

subangulares de tamaño máximo 2 1/2".

H-6 9,00-15,00 Arcilla limo gravosa, color café claro, humedad media, estructura

migajón homogénea, consistencia muy dura.

Figura 6-13. Modelo Estratigráfico Casas sector Chamisero Colina.

Fuente: Informe mecánica de suelos N°4297 Casas sector Chamisero Colina Región

Metropolitana

De los resultados de la exploración, de los ensayos de laboratorio y de

propiedades medidas en suelos de similares características granulométricas y

origen geológico, se determinaron y adoptaron las siguientes propiedades

mecánicas del suelo de fundación

Arcilla algo arenosa ø= 20°

c =1,5 t/m2

γ=1,8 t/m3

E=400+400z t/m2 ν= 0.40

Figura 6-14. Propiedades Mecánicas.

Fuente: informe mecánica de suelos N°4297, Casas Chamisero.

100

6.2.2.9.1. Planimetría del proyecto

Figura 6-15. Planta de fundación, ubicación de pilotes en planta.

Fuente: Casas sector Chamisero Colina Región Metropolitana

101

Figura 6-16. Sección pilote y viga de fundación Fuente: Casas sector Chamisero Colina Región Metropolitana

102

6.2.3. ESTABILIZACIÓN CON CAL

El tratamiento y estabilización con cal de estos suelos es una solución muy

interesante desde los puntos de vista económico, ambiental y técnico. En general,

puede afirmarse que siempre que el Índice de Plasticidad (IP) de un suelo sea

elevado IP > 30, es aconsejable y satisfactoria su estabilización con cal.

El tratamiento con cal de terrenos arcillosos de características expansivas,

permite su utilización, evitando los mayores costos y efectos ambientales que

supondría su retiro y posterior reemplazo por otros suelos de mejores

características geotécnicas y mecánicas.

En cuanto a la estabilización con cal, ésta tiene un efecto muy notable,

particularmente en las arcillas sódicas, pero también en las cálcicas. No suele

aplicarse por mezcla, lo cual sería difícil y costoso, siendo necesario realizar una

compactación posterior de resultado, seguramente, mediano. Se efectúa por

difusión o inyección y la eficacia parece comprobada.

En el caso de cimentaciones la mezcla tan sólo podría conseguirse

excavando un espesor que fuera una fracción importante de la capa activa,

pulverizando el material. Este procedimiento implicaría cimentar sobre el relleno

de un material muy dudoso, a pesar de la estabilización. Por ello, la estabilización

suele llevarse a cabo por difusión o bien por filtración de agua con cal. La difusión

del líquido en la arcilla es, en general, muy lenta y, como consecuencia, se ha

encontrado en muchos casos que la masa del suelo estaba sin estabilizar, a pesar

de lo cual, el efecto práctico era apreciable. Esto parece deberse a que el agua sí

penetra por todas las fisuras del suelo y estabiliza las superficies de los terrones

que lo constituyen. Los terrones quedan así algo protegidos de los cambios de

humedad por las cortezas estabilizadas.

103

Se han ensayado y se siguen ensayando muchas técnicas para

perfeccionar este método, por ejemplo, abriendo una cuadrícula de zanjas que se

rellenan de lechada, o bien inyectándola a través de taladros, incluso con

inyección a gran presión.

Además, se han ensayado aditivos diversos que facilitan la penetración.

Entre ellos los más frecuentemente usados son los agentes tenso activos, que

aumentan la penetración por las fisuras al disminuir la tensión superficial.

Figura 6-17. Proceso de Inyección de Cal sobre el terreno

Fuente: www.keller.com.mx

6.2.3.1. Definición

La cal es un producto compuesto de óxidos e hidróxidos de calcio y

magnesio, que proviene de la calcinación de minerales calizos y dolomíticos.

También suele contener óxidos de silicio, hierro y aluminio en función del material

básico de procedencia.

CaO - Ca(OH)2 - MgO - Mg(OH)2 - SiO2 - AlO2 - Fe2O3

104

En el proceso de calcinación, los minerales compuestos por carbonatos

cálcicos y magnésicos, en proporciones variables según la calidad y tipología del

mineral base dan lugar, ante la aplicación de calor, a la formación de óxidos de cal

y/o magnesio, que es el producto buscado, con desprendimiento de dióxido de

carbono.

6.2.3.2. Funciones de la cal

La principal utilidad de las cales se centra en que mezcladas con agua

forman una pasta que mejora las características de manejo de los materiales a los

que se aplica y, a mayor plazo, aumenta su consistencia y resistencia.

El primer fenómeno contribuye a la trabajabilidad de los materiales,

morteros y suelos fundamentalmente, mediante la modificación de sus

propiedades de plasticidad, capacidad de retención de agua y penetración.

En cuanto al segundo fenómeno, se basa en procesos químicos más o

menos complejos y diferenciados según el material a que se aplique y el tipo de

cal que se emplee. El mecanismo básico consiste en la carbonatación de los

hidratos de carbono en contacto con el dióxido de carbono atmosférico, que le

lleva a aumentar la resistencia y durabilidad de los materiales.

6.2.3.3. Tipos de cal

Una primera clasificación de los tipos de cal ya se ha citado anteriormente y

se basa en la composición del mineral básico que es sometido a calcinación. Así,

según la proporción de carbonatos magnésicos en relación con el total de

carbonatos, se puede clasificar en:

105

Cales de alto contenido en calcio: Procedentes de material base de CaCO3,

con no más del 5 % de MgCO3. Se componen fundamentalmente de óxidos

de calcio.

Cales dolomíticas: Procedentes de material base con contenidos de más

del 5 % de MgCO3. Se componen de óxidos de calcio y magnesio.

Otra posible clasificación es la que se deduce de los procesos de obtención

y materiales de origen. En este sentido se pueden dividir en:

Cales hidráulicas: Obtenidas a partir de calizas que contienen arcillas (sílice

y alúmina), por su calcinación y posterior hidratación. Además de hidróxido

cálcico incorporan silicatos y aluminatos cálcicos. Tienen propiedades

hidráulicas, es decir, endurecen con el agua. El dióxido de carbono

atmosférico contribuye a este proceso de endurecimiento adicional.

Cales aéreas: Compuestas de óxido e hidróxido de calcio y magnesio, que

endurecen en contacto con el CO2 del aire. No tienen propiedades

hidráulicas, es decir, no endurecen con ella. Se obtienen de rocas calizas

con más del 95% de carbonatos.

La cal como principio activo es posible obtenerla o presentarla como:

Cal viva, u óxido de calcio/magnesio procedente directamente del proceso

de calcinación. Se presenta en forma de grano o molidas en polvo, incluso

micronizadas, ya que esta forma supone que no se ha hidratado el producto

de la calcinación.

Cal apagada, procedente de la hidratación de la cal viva, compuesta por

hidróxidos de calcio/magnesio. Como tal es posible presentarla en forma de

106

pasta, lechada o suspensión de cal en agua, o incluso en forma de polvo

seco.

La principal diferencia entre ambas formas de presentación es el riesgo en

la aplicación. El manejo de cal viva debe asumir que su contacto con el agua,

aunque sea estrictamente con la humedad propia del medio en que se va a aplicar

o incluso con la atmosférica, va a generar la reacción de hidratación de los óxidos,

que se ha descrito como fuertemente exotérmica. Esto lleva asociado el

consiguiente riesgo que este fenómeno tiene en la seguridad del personal que

realiza la aplicación, fenómeno conocido en el proceso del “apagado de la cal”.

6.2.3.4. Propiedades de la cal

La cal tiene una serie de características relevantes desde el punto de vista de su

uso y comportamiento como conglomerante adicionado a otros materiales:

a) Densidad aparente: Alcanza valores, según la forma de presentación, que

oscilan entre:

Cal viva: 0,7 – 1,2 ton/m3

Cal apagada: 0,3 – 1,0 ton/m3

Frente al peso específico del óxido de calcio puro que toma valores superiores a 3

ton/m3, asumiendo una porosidad nula.

b) Finura de grano, cuando se emplea en forma de polvo

c) Solubilidad en agua, aunque es pequeña, una característica importante es que

disminuye al aumentar la temperatura.

d) Aportan al medio en que se aplican un carácter básico, elevando su pH.

107

e) La cal es un producto reactivo con el CO2, se carbonata ante la presencia de

dióxido de carbono, como ocurre en la atmósfera, ya se encuentre en forma de cal

viva o de hidróxido cálcico. Ello se debe a que la reacción de su constitución es

reversible.

d) Finalmente, otra propiedad a destacar de la cal es su posibilidad de reacción

con numerosos productos, como la reacción con la sílice (SiO2) y la alúmina

(Al2O3).

6.2.3.5. Normativa sobre la cal Para una definición, clasificación y especificaciones para el uso de la cal en la

construcción, puede considerarse la normativa internacional experimental UNE-

ENV 459 “Cales para construcción”, versión oficial en español de la norma

europea correspondiente. La cual consta de dos partes:

Parte 1: “Definiciones, especificaciones y criterios de conformidad” (1996)

Parte 2: “Métodos de ensayo” (1995)

108

6.2.3.6. Modificación de suelos arcillosos con cal

La adición de cal a un suelo con una fracción de partículas finas relevante

modifica su comportamiento de acuerdo a las propiedades que se han descrito.

Estas modificaciones se resumen fundamentalmente en dos comportamientos

típicos, modificación de la textura del suelo e incremento de su resistencia.

Estos hechos se producen en mayor o menor medida según el tipo de

suelos, su granulometría y mineralogía, y el de la cal empleada, en función de su

riqueza y actividad. Su justificación está en la alteración del estado natural de

ambos materiales por las reacciones químicas que se producen en la interacción

de sus estructuras.

Mecanismos de interacción de la cal sobre un suelo

En la mezcla de la cal con un suelo arcilloso se producen dos tipos de

reacción:

a) Modificación “inmediata” de las condiciones de granulometría, textura y

compacidad originada por:

Intercambio de iones entre la arcilla y la cal

Floculación de las partículas de arcilla

Reducción de la cantidad de agua adsorbida por la arcilla, lo que trae como

consecuencia una considerable reducción del potencial expansivo.

b) Mejora de las características resistentes del suelo a medio y largo plazo,

producida por:

Reacción puzolánica de cementación

Carbonatación

Por los tipos de efectos, es posible definir una serie de diferencias entre los

grupos citados que justifican la clasificación expuesta.

109

Una primera diferencia ya citada entre ambos grupos de mecanismos es su

carácter temporal, ya que las modificaciones de textura son casi inmediatas,

mientras que las resistentes suelen llevar un plazo mayor.

La segunda diferencia consiste en su generalización, mientras que el primer

grupo de modificaciones es aplicable a casi todos los tipos de suelos arcillosos, las

mejoras de resistencia se producen en mayor o menor medida en función de la

mineralogía y tipos de suelos, siendo posible incluso que no se produzcan en

algunos.

Finalmente, la tercera gran diferencia es la proporción de cal precisa para

alcanzar los efectos. En la mayoría de los casos la frontera o límite a partir de la

cual se inicia el segundo grupo de mecanismos es la cantidad de cal. Puede

decirse que las primeras dosis de cal van destinadas a la modificación de la

textura y granulometría, y que para mejorar las características resistentes es

preciso superar esta primera proporción. En caso contrario, no existirá adición

activa o cal que facilite dichas reacciones. A continuación se detalla cada uno de

los efectos citados, sus fundamentos, consecuencias y limitaciones.

El intercambio iónico

Cuando la cal toma contacto con las arcillas los cationes de calcio tienden a

reemplazar a aquéllos otros que están adsorbidos en la superficie de sus

partículas, dispersos en lo que se ha llamado la capa doble. Desplazando así a

cationes monovalentes usuales en las arcillas naturales, como los de sodio,

potasio o magnesio.

110

Floculación y aglomeración de partículas

Según el fenómeno del intercambio iónico por cationes de mayor valencia

reduce el espesor de la capa doble de la arcilla. Ello genera que se reduzca pues

la zona de alta presencia de cationes que separa una partícula de otra, tanto por

concentración como por repulsión eléctrica.

El hecho de que se pongan en contacto nuevas partículas de arcilla y se

generen fuerzas de atracción entre ellas origina unas nuevas agrupaciones de

partículas que antes estaban dispersas o separadas formando flóculos o conjuntos

de partículas.

Modificación de la textura y consistencia

El fenómeno de la floculación incide sobre las estructuras de los suelos

arcillosos. Se basa esta consecuencia en que la aglomeración de las partículas se

produce desordenando la estructura laminar estable que hasta ese momento

presentaba la arcilla.

Si esta estructura se transforma en una distribución más alterada con

contactos oblicuos entre bordes y caras, se origina un desorden entre las

partículas que, conlleva a un aumento de los huecos en la masa suelo-cal con

respecto al volumen inicial del suelo, además genera un desorden de las

partículas que le lleva a un comportamiento menos cohesivo basado en el

rozamiento de las partículas del suelo.

Con relación a este último aspecto hay que citar que el desorden y cambio

de comportamiento conlleva una mayor consistencia entendida ésta como un

aumento en la capacidad de soporte del suelo.

111

La reacción puzolánica

Como se ha descrito, las arcillas son minerales que contienen en su

estructura importantes cantidades de sílice y alúmina y otros elementos de

sustitución como el hierro, magnesio, etc. En estas circunstancias, es posible decir

que las arcillas son productos naturales con propiedades puzolánicas. Estas

propiedades se basan en que bajo condiciones de pH altos pueden provocar un

efecto consistente en la reacción de la cal con la sílice y alúmina para producir

productos cementantes.

En el caso de la mezcla de arcilla y cal, la sílice y alúmina procedentes de

las partículas de arcilla al entrar en contacto con la cal, que proporciona el medio

básico, lleva a formar silicatos y aluminatos de calcio hidratados. Estos productos

son parecidos a los que se generan durante el fraguado del cemento Portland.

Carbonatación de la cal

El proceso de la carbonatación de la cal disponible es un proceso lento y

que no suele completarse ni incluso a altas temperaturas. No obstante, el agua

actúa como un catalizador que propicia esta conversión junto con la mayor

superficie específica de la cal disponible.

La carbonatación puede inducir a error si se considera como un fenómeno

de mejora dado que en ella no interviene el suelo sino que, al contrario, resta

potencialidad al proceso al eliminar parte de la cal disponible.

112

6.2.3.7. Efectos de la aplicación de la cal

Como consecuencia de la combinación de los mecanismos descritos

anteriormente, la aplicación de cal a un suelo arcilloso origina una modificación en

las propiedades físicas características de su comportamiento inicial. Tales como:

Reducción de la humedad natural del suelo

Un primer efecto de la aplicación de la cal es su secado o la reducción de la

humedad. Es evidente que este efecto sólo se produce cuando la cal se aplica en

forma de cal viva en polvo. Este proceso se basa en que para la hidratación de los

óxidos de calcio y su conversión en hidróxidos cálcicos, se toma el agua presente

en la masa del suelo. Además, y dado que la reacción que se produce es

exotérmica, el propio calor producido en la hidratación facilita la evaporación del

exceso de humedad. Así de manera aproximada es posible evaluar la reducción

de humedad de un suelo en un 2 o un 3 % por la adición de un 1 % de cal.

El principal inconveniente de este mecanismo es que se desprende una

importante cantidad de calor que puede afectar al personal que trabaja en la obra

si no se disponen las convenientes medidas de seguridad.

Modificación de la granulometría

Un segundo efecto importante que se produce en la aplicación de la cal a

suelos arcillosos es la modificación de su granulometría. Este hecho se justifica en

los mecanismos de floculación y aglomeración mencionados anteriormente, de las

partículas que se originan por el intercambio iónico en la superficie de las mismas.

113

Aumento de la permeabilidad

El efecto anterior de modificación de la granulometría puede ser apreciado

de forma indirecta en otros cambios de propiedades físicas asociadas a la

distribución granulométrica de un suelo. Es el caso de la permeabilidad.

La modificación de la distribución de tamaños de las partículas y la

reducción de las fuerzas de atracción eléctricas y osmóticas entre ellas hace que

se generen una serie de huecos mayores entre ellas y que se reduzca su

higroscopicidad. Ello hace que la aplicación de la cal origine un aumento inmediato

de la permeabilidad de un suelo.

Si bien la permeabilidad aumenta en los primeros momentos de aplicación

de la cal, fenómenos posteriores que induzcan a una disolución, sustitución o

lavado de los iones de calcio que han originado esta nueva estructura más

permeable, pueden llevar a una posterior caída de la permeabilidad a medio o

largo plazo. En ocasiones incluso puede llegar a reducirse la permeabilidad inicial

del suelo. Si se considera que las ventajas del aumento de la permeabilidad

suelen perseguir mejoras a largo plazo, esta circunstancia limita el efecto inicial

conseguido y su aplicación.

Algunos autores han apuntado, también, que la posible producción de la

reacción puzolánica y la generación de productos cementantes entre las partículas

de las arcillas suelen evitar esta pérdida a medio plazo de la permeabilidad, al fijar

los cationes responsables de la misma y frenar su posible sustitución. Otros, sin

embargo, atribuyen a estas reacciones la pérdida posterior del incremento de

permeabilidad adquirido.

114

Reducción del índice de plasticidad

Uno de los principales efectos de la aplicación de la cal en los suelos

arcillosos es la reducción de la plasticidad, característica representativa de este

tipo de suelos. Esta reducción, justificada por los mismos mecanismos descritos

en los puntos anteriores, se manifiesta y cuantifica mediante una reducción de los

límites de Atterberg, determinación usual en el mundo de la construcción. Más

concretamente la aplicación de la cal provoca de manera generalizada un

aumento del límite plástico sin afectar al límite líquido.

Otra característica de este efecto es que es progresivo, es decir, se

incrementa con la cantidad de cal aplicada. A más cal, mayor reducción de la

plasticidad. Sin embargo, se tiene un límite a partir del cual el aumento de cal no

produce reducciones sustanciales ni mucho menos proporcionales de la

plasticidad del suelo. Este límite es, en ocasiones, la eliminación casi total de la

plasticidad del suelo, que suele conseguirse en ocasiones. Lo que se traducirá en

alcanzar un potencial de expansión nulo.

Reducción del potencial de cambios volumétricos

Otro efecto de la aplicación de la cal es la disminución de la susceptibilidad

de las mismas al agua, entendida principalmente ésta como la propensión a los

cambios de volumen ante modificaciones del nivel de humedad del suelo.

El conjunto de reacciones entre la cal y las partículas de arcilla sirven no

sólo para reducir el nivel de humedad en las mismas, sino incluso para fijar en

este nivel de humedad de una manera más estable y evitar su reducción o

aumento ante aportes externos. Con ello se reduce el riesgo que esta reducción o

incremento puede tener en el volumen del suelo, y que en caso contrario se

traducirían en expansiones o retracciones del mismo.

115

Este efecto conlleva que el tratamiento con cal de un suelo potencialmente

expansivo sirve para conseguir importantes reducciones del riesgo de

hinchamiento y retracción del mismo.

Estas reducciones son casi inmediatas y sus efectos son drásticos. Se

elimina casi en su totalidad el riesgo en la masa de suelo tratada con poca

cantidad de cal. Tan sólo hay que tener en cuenta, como ya se ha citado, que se

trata de una modificación que requiere una alteración a nivel de partículas, por lo

que es muy importante asegurar el mezclado y que la cal llegue a todas las zonas

de suelo susceptibles de presentar problemas de hinchamiento o retracción. Así

como en otros efectos, como la trabajabilidad o la permeabilidad, pudiera bastar

una manifestación macroscópica, en este es importante llegar al nivel de partícula

si se quiere reproducir la mejora que se manifiesta en los ensayos de laboratorio.

Aumento inmediato de la consistencia

El reordenamiento de las partículas provocada por la ruptura de la

distribución laminar y la reducción de la capa doble se manifiesta, como ya se ha

dicho, en varios efectos en cuanto a alteración de las propiedades físicas de los

suelos arcillosos. Pero también tiene una manifestación en las propiedades

mecánicas de los mismos.

El aumento de la capacidad portante se basa principalmente en que la

nueva distribución de partículas del suelo permite una mayor redistribución de las

tensiones ante solicitaciones exteriores. El desorden introducido en la masa del

suelo hace que el reparto se pueda producir entre más partículas y en direcciones

diferentes a las simplemente ortogonales que se generan ante una estructura

laminar. Además, ello hace que incluso intervenga la resistencia propia de las

partículas, mientras que en la estructura laminar sólo colaboran las fuerzas entre

ellas.

116

Mayor resistencia a largo plazo

El único efecto de entre los mencionados en el que interviene lo que se ha

llamado la reacción puzolánica, se plasma en un incremento muy importante de la

resistencia de un suelo a medio o largo plazo por la aplicación de cal. Este efecto

se basa en la formación de productos cementantes en la matriz de partículas de la

arcilla, que establece enlaces de rigidez y resistencia mucho mayores que las

inicialmente existentes. A diferencia de la ganancia en la consistencia que se ha

descrito como un fenómeno inmediato de aplicación de la cal, justificado por el

incremento en la fricción interna, el efecto de la reacción puzolánica se basa en

un aumento muy sustancial de la cohesión interna de las partículas. Como se ha

citado éste es un fenómeno cuya ocurrencia está condicionada por diversos

factores:

La disposición de sílice y alúmina en la arcilla en cantidad suficiente

La posibilidad de liberación de la misma

La presencia de un medio con pH adecuado para su liberación

La existencia de cal libre en cantidad suficiente para la reacción

Condiciones de humedad y temperatura favorables

El transcurso de un plazo suficiente para la reacción.

La ganancia de resistencia en los suelos mediante la adición de cal es el

único efecto de los mencionados que requiere un proceso de curado. Plazos

indicativos para obtener efectos de incremento estable de resistencias con cal

suelen estar entre los 28 y 360 días. Incluso algunos autores justifican

incrementos de resistencia transcurridos varios años desde la aplicación de la cal.

Estos plazos, en ocasiones tan prolongados, ilustran la importancia de

asegurar las condiciones de conservación o mantenimiento del suelo si se

persigue lograr este efecto en su tratamiento con cal.

117

6.2.3.8. Aplicación de la solución mediante sistema de inyección de cal. Estabilización química mediante el sistema de inyección.

Mediante esta técnica, la lechada de cal es inyectada a presión en el suelo,

lo que permite tratarlo en condiciones inalteradas y a la profundidad deseada.

Resulta ser la técnica de estabilización química más económica una vez que ha

demostrado su efectividad en un sitio, además presenta la ventaja de poder ser

utilizada para realizar reparaciones a estructuras que ya han sido afectadas por

los suelos expansivos.

La lechada inyectada tiende a seguir o a crear planos de fracturas en el

suelo, depositando numerosas franjas de cal que encapsulan a los bloques

existentes entre ellas. Esto permite que exista una reacción química constante

entre el suelo y la cal a lo largo de las franjas, aunque debido a que ni la cal ni el

agua logran penetrar profundamente en el suelo, no se llega a producir un

tratamiento uniforme de este. Por tanto, el mayor resultado es el de proporcionar

un efecto de pre humedecimiento al suelo, y el de retardar su cambio de humedad,

ya que las franjas funcionan como barreras de humedad. Cabe destacar que la

condición más favorable para alcanzar el éxito mediante esta técnica, es la

presencia de una extensa red de fisuramiento en el suelo capaz de proveer

caminos para la dispersión de la lechada.

Características:

La inyección de lechada de cal se realiza a altas presiones (50 a 200 psi).

Las profundidades típicas de inyección son de 2 a 4 m de profundidad.

Dentro de las técnicas que existen para perfeccionar este método, se tiene

por ejemplo, la utilización de cuadrícula de zanjas que se rellenan de

lechada, inyección a través de taladros, e inyección a gran presión.

118

Existen también aditivos que permiten facilitar la penetración, como por

ejemplo, los agentes tenso activos, que aumentan la penetración por las

fisuras al disminuir la tensión superficial.

Adicionalmente, la superficie del relleno de construcción será cubierta con

la lechada de cal como resultado del proceso.

Este material es mezclado con el suelo para formar una plataforma de

trabajo después de la inyección.

Ejemplos de aplicación de estabilización mediante cal, en el extranjero: Inyección de cal al suelo

Costa Rica

Residencia en Palma de Mayorca. Escazú.

Condominio Galvez Club, Bello Horizonte

Extendido y mezclado de cal con el suelo

España

Autopista AP-61 San Rafael - Segovia (IBERPISTAS - Ministerio de

fomento)

Nuevas pistas aeropuerto de barajas (AENA – Ministerio de fomento)

119

CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES

7.1. RECOMENDACIONES, PREVENCIÓN Y CONTROL

Deberán seguirse una serie de recomendaciones generales tanto en

proyecto como en ejecución y de las cuales deberán elegirse las más favorables

en función del caso particular:

Profundidad de apoyo.

La solución de cimentación propuesta, deberá ser apoyada a una

profundidad suficiente, considerando la búsqueda de zonas de estrato

menos expuestos a los cambios de humedad y oscilaciones del nivel

freático, intentando evitar así la capa activa.

Cargas.

Las cargas transmitidas por la cimentación al estrato, deberán

compensarse con la tensión máxima admisible del suelo, asentamientos y

la presión de hinchamiento, de modo que ésta no supere la carga de trabajo

de la fundación.

Sistema de cimentación.

Las losas, zapatas y pilotes, deberán en todos los casos estar

perfectamente arriostradas en dos direcciones, con vigas de amarre

adecuadamente armadas.

120

Conducciones subterráneas.

Tanto en proyecto como en ejecución deberán controlarse, todas las

conducciones subterráneas, saneamientos, canalizaciones y tuberías, para

evitar roturas o fugas de agua que alteren el estado de humedad del suelo y

puedan producir movimientos del terreno.

Urbanización exterior.

Veredas amplias y pavimentaciones extensas impermeables debidamente

armadas para evitar roturas; dispuestas de forma perimetral, con pendiente

hacia fuera y cunetas en el borde exterior.

Drenaje.

Sistemas de drenaje perimetral efectivos y sistemas que eviten el colapso

de los mismos (geotextil) y permitan la correcta evacuación de las aguas

superficiales.

121

7.2. RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS

7.2.1. Recomendaciones para la construcción de fundaciones sobre relleno estructural: Alternativa de fundación de zapatas y cimiento corrido en relleno estructural

Se recomienda antes de iniciar la faena de excavación para fundaciones,

realizar la extracción de la capa vegetal del suelo donde sea necesario

realizar un escarpe.

Las excavaciones para las fundaciones se pueden realizar a máquina o

manualmente con taludes verticales. Pero los últimos 10 cm, antes de llegar

al sello de excavación, deberán ser realizados manualmente a modo de

obtener un sello no perturbado.

Los sellos de fundación deberán otorgar una resistencia y rigidez necesaria.

Para determinar la altura de excavación y extracción del material expansivo

bajo nivel de terreno, se deben realizar calicatas de reconocimiento en cada

casa para determinar profundidad del estrato de arcilla expansiva.

Luego se debe colocar material de relleno compactado preferentemente

grava arenosa de tamaño máximo 4” y contenido de finos no superior al 20

% bajo la malla n°200 ASTM. La compactación se debe realizar en capas

de espesor no mayores de 30 cm. Con 6 pasadas por cada punto de rodillo

vibratorio de 10 ton de peso estático mínimo.

Las fundaciones se deben hormigonar directamente contra las paredes del

suelo, cuando sea posible.

122

Los radieres se recomiendan construir después de terminada la obra

gruesa de las viviendas, con radier de hormigón de 170 kg de cemento por

m3 de mezcla. Alternativa de fundación de losa en relleno estructural

Una vez analizado el retiro del suelo expansivo y posterior reemplazo por

relleno estructural, se debe compactar el sello con rodillo sin vibrar.

El material para el relleno estructural a utilizar para alcanzar la cota de patio

debe ser preferentemente grava arenosa de tamaño máximo 4”, con no más

de 20% de finos bajo la malla n°200 ASTM. Este relleno se debe colocar y

compactar en capas de espesor medido suelto no superior a 30 cm. Cada

capa se debe compactar con un mínimo de 6 pasadas por cada punto, de

rodillo vibratorio de peso estático 10 ton. La primera capa se debe

compactar sin vibrar, con el mismo equipo sugerido para el sello de

escarpe.

El relleno se debe controlar con densidades in situ, 1 por cada capa de

cada vivienda y como requisito se debe obtener una densidad seca mínima

equivalente al 95% de la DMCS, dada por el ensayos Proctor modificado.

El relleno granular compactado en la zona exterior de las viviendas

(sobreancho de excavación), debe alcanzar como mínimo entre 0,30 a 0,50

m, dicha zona se debe rellenar con arcilla de procedencia local,

compactada con placa compactadora, con 6 pasadas por cada punto sin

control de densidades. El objetivo es formar un sello impermeable a las

aguas que pudiera generar una humedad permanente en el suelo de

fundación y potencialmente en las viviendas.

Las pasadas de ductos por las fundaciones deberán sellarse en cada caso.

123

La pendiente de los patios será tal que durante la construcción y en el

futuro, las aguas lluvias no se acumulen en el perímetro de la casa.

La losa de fundación deberá considerar tratamiento de corte capilar y

hormigón de alta resistencia, para evitar el ascenso de humedad a los

muros de las viviendas.

Figura 7-1. Esquema de relleno para fundación Fuente: Elaboración Propia

124

7.2.2. Recomendaciones para la ejecución de la solución mediante losa autosoportante sobre pilotes:

Se debe solicitar la elaboración de la planta estructural de la vivienda al

ingeniero calculista.

Posteriormente, se debe realizar un análisis de la ubicación de los pilotes,

en primera instancia, en los encuentros de los ejes estructurales, por

ejemplo en el caso de intersecciones de muros. Además, se debe analizar

en forma secundaria la ubicación de pilotes para cumplir con la distancia

mínima (S) entre apoyos establecida por el calculista.

Figura 7-2. Ejemplo de distribución de pilotes en planta Fuente: Elaboración Propia

Se debe verificar la longitud del sistema de pilotes a partir del análisis

estratigráfico del suelo de fundación, determinando si los espesores de

estos, específicamente del estrato de arcilla expansiva, son homogéneos o

irregulares, para determinar cuál debe ser el parámetro de longitud de cada

pilote. Además, se debe considerar la magnitud de las presiones de

hinchamiento que podrían generar levantamiento en cada uno de éstos, con

el objetivo de establecer la longitud adicional o de holgura, que se ubica en

125

el estrato consecutivo al estrato potencialmente expansivo o capa activa y

que posee mejores condiciones de fundación.

Posteriormente, se debe analizar la información referente a las cargas

individuales que actúan sobre cada pilote. Este análisis permitirá resolver la

problemática que podría generar un asentamiento diferencial entre pilotes

próximos. De este modo, para el pilote que recibe mayor carga se debe

modificar su diseño inicial, aumentando el largo o su sección, para disminuir

el posible asentamiento hasta otorgar una magnitud cercana al promedio

del grupo de pilotes dentro de la estructuración.

Realizado el estudio de suelos, calculada la estructura y teniendo un

trazado y replanteo correcto, se procede a llevar el equipo o personal de

excavación a los puntos donde se debe ubicar cada elemento de acuerdo a

la planimetría de diseño estructural de la vivienda.

En el caso de tener disponibilidad de maquinaria el proceso resulta sencillo,

ya que la misma ingresará una broca al terreno, haciendo la extracción del

volumen de tierra necesario para que pueda ingresar el pilote y verificando

la altura del mismo. Si no se dispone de maquinaria, se debe excavar la

sección circular manualmente, donde el obrero ingresara metro a metro,

entibando porciones controladas de corte de suelo.

En el caso de presencia de napa, esta se debe deprimir mediante el

sistema de bombeo directo a medida que se excava. Aunque, es

recomendable ante este inconveniente el uso de maquinaria.

La utilización de pilotes de hormigón armado es conveniente para resistir

posibles esfuerzos de empuje lateral dentro del terreno, los cuales dañarían

la conformación de un elemento que no contenga acero por efecto del

esfuerzo de corte. El acero de construcción estará armado de manera

126

circular y los estribos o “zuncho” en el caso de esta sección, permiten juntar

las barras de la estructura. La armadura de acero previamente calculada,

se ingresa hasta el fondo de la excavación y se comienza a vaciar la

mezcla de hormigón, como recomendación (H-25). En la mayoría de los

casos debe preverse la contratación de carros hormigoneros que puedan

ingresar la manguera hasta el fondo de la fosa. Dicha manguera deberá

elevarse manualmente a medida de que el hormigón vaya llenando la

cavidad.

Finalmente, una vez vaciado y fraguado el pilote, se procederá a realizar el

sistema de cimentación de la vivienda de manera normal, sobre estos se

ubican las vigas de unión que permiten acoplar cada uno de los pilotes en

un sistema. A lo cual se suma la colaboración de la losa auto soportante

doblemente armada. Para ello, se considera que la cabeza del pilote y las

barras de aceros que salen de ella, deberán entrelazarse con la malla

inferior de la losa de piso, la cual se encuentra aislada del suelo con una

cierta separación a la superficie del terreno. Este sistema permite que la

estructura de una vivienda no se vea afectada por la ocurrencia de

expansión de las arcillas presentes en el terreno otorgando resistencia, más

aún ante la ocurrencia de asentamientos.

127

7.2.3. Recomendaciones para la ejecución de la alternativa mediante estabilización con cal:

La lechada de cal debe ser inyectada a presión en el suelo, mediante un

equipo de inyección, el cual realiza esta acción bajo un rango de presiones

entre 50 a 200 psi.

Las profundidades a la cual se recomienda realizar el proceso de inyección

varía entre 2 a 4 m de profundidad.

Es aconsejable la utilización de la técnica de cuadrícula de zanjas para

posteriormente ser ejecutada la inyección de lechada.

Se recomienda el uso de aditivos que permitan facilitar la penetración, como

por ejemplo, los agentes tenso activos, que aumentan la penetración por las

fisuras al disminuir la tensión superficial.

Adicionalmente, la superficie del relleno de construcción debe ser cubierta

con la lechada de cal como resultado del proceso para otorgar un escenario

resistente al trabajo de construcción de la vivienda.

128

7.3. CONCLUSIÓN FINAL

La cimentación sobre arcillas expansivas es posible siempre y cuando se

cuantifique con exactitud el grado de expansividad y se tomen las medidas

adecuadas a cada situación. Es esencial para ello, la realización de un estudio

geotécnico completo, previo a la realización del proyecto donde se determinen las

características geológicas y geotécnicas del terreno.

Por esta razón, es determinante la importancia de la información a partir de

los ensayos de laboratorio, que permiten cuantificar la expansión del suelo en

cuestión. Ya sea resultados de Clasificación USCS, Limites de Atterberg,

Contenido de humedad, Contenido Coloidal, Presión de Hinchamiento,

Hinchamiento Libre, Ensayo Proctor Modificado, Ensayo de Consolidación y

Compresión no Confinada. Si bien estos resultados experimentales por sí solos no

son concluyentes con la respuesta del suelo in situ, si otorgan un parámetro muy

cercano para determinar potencial expansivo cuando se complementan con la

determinación de la composición mineralógica de la arcilla, el espesor de la capa

activa de suelo y el efecto de la variación de humedad.

Mediante el análisis efectuado para la zona de estudio con mayor presencia de

arcilla expansiva en la Región Metropolitana, correspondiente a la zona de Finos

del Noroeste, se verificó un alto potencial expansivo. Por este motivo, es

indispensable evaluar y controlar tanto los asentamientos, como la expansión de

las arcillas. Esto se puede lograr analizando la mejor solución de ejecución ante la

presencia de éstas para cada proyecto en particular, determinando el sistema de

cimentación adecuado que garantice la mayor seguridad tanto para la estructura

de las viviendas como para las personas, y que sea más conveniente desde el

punto de vista del rendimiento constructivo y económico.

Considerando los alcances de esta memoria, para estructuras de uno, dos y

tres niveles se aconsejan las soluciones revisadas a lo largo de este estudio, en

concreto la remoción y reemplazo de terreno, losa autosoportante apoyada sobre

129

pilotes y estabilización con cal. Teniendo en cuenta, que si la carga de la

estructura es mayor según sus niveles, variaran las dimensiones de las

fundaciones, ya sea en el uso de zapatas, losas o pilotes. Asimismo, es

fundamental que la carga máxima no sobrepase la carga admisible del suelo.

Ante la presencia de un suelo potencialmente expansivo, es fundamental

considerar entonces, las dos grandes líneas de acción que serían: actuar en

reducir o eliminar la expansión del suelo, al remplazar o modificar las propiedades

expansivas de este. Y actuar sobre la estructura, en la selección de un diseño de

fundación apropiado, por ejemplo el uso de pilotes, cuya función principal es evitar

esfuerzos debidos a la presión de expansión.

Sin embargo, la decisión de utilizar una u otra alternativa de solución

depende no sólo de los factores que presenta el terreno por la presencia de

arcillas expansivas, su comportamiento y su efecto sobre las estructuras. Sino que

también se ve influenciada por las características propias del proyecto a

desarrollar, esto referente a la magnitud del proyecto, costos asociados y a las

condiciones aledañas a la construcción como es el caso de construcciones o

condominios de viviendas cercanos a la obra, los cuales deben ser analizados por

el impacto que produciría una u otra alternativa.

Cabe señalar, que las fallas frecuentes que se presentan en proyectos de

esta envergadura son “de tipo constructivas o de ejecución”, como por ejemplo,

rellenos mal ejecutados, elementos de dimensiones menores a las del diseño y

errores propios del terreno. No obstante, a partir del análisis realizado se plantea

que el mejor resultado se obtiene con la solución de remoción y reemplazo a

través del relleno masivo de todo el sitio, lo cual permite mejorar tanto el terreno

de cada vivienda, como las características propias de un proyecto, ya sea áreas

para futuras ampliaciones, veredas y vías de transporte.

130

Asimismo, las soluciones de reemplazo de suelo y uso de pilotes,

presentadas y desarrolladas en esta memoria son utilizadas en la práctica de

forma habitual con buenos resultados, sin embargo, depende de cada proyecto y

del control adicional que se le dé a éste, el comportamiento final. Por tanto, en

cuanto a la solución con uso de cal, si bien no es usada aún en el país, su

utilización y desarrollo se presenta como desafío para el estudio de ésta y de

nuevas alternativas que permitan desarrollar el área de la ingeniería y la

geotecnia, en función de la construcción.

131

BIBLIOGRAFÍA

Arellano C. Guillermo, Caracterización de los suelos expansivos. Perú,

2008.

Badillo Juárez, Rodríguez Rico. “Mecánica de Suelos – Tomo II Teoría y

Aplicaciones de la Mecánica de Suelos”. Editorial Limusa. 1989, México.

Escobar T. Juan, Arcillas expansivas control y procedimientos en

construcción de viviendas. Memoria para optar al título de Constructor Civil.

Santiago, Chile: Universidad de Santiago de Chile, 2010.

Geofun. Informes de mecánica de suelos. N°4297 50 casas sector

Chamisero. Colina. Región Metropolitana. 2012.

Geofun. Informes de mecánica de suelos. N°2184 Macrolote A2 Conjunto

Habitacional Valle Grande. Lampa. Región Metropolitana. 2003.

Jiménez S. José, Geotecnia y cimientos III. “Cimientos, Excavaciones y

Aplicaciones de la Geotecnia”. Editorial Rueda, Madrid, 1980.

Leoni Augusto. Transferencia de cargas al terreno 2da Parte, Geotecnia I.

Facultad de ingeniería U.N.L.P.

Manterola, F., Potencialidad de Hinchamiento de las Arcillas al Oriente de

Santiago, Memoria U. de Chile. 1974.

Medina Pablo, “Guía de Laboratorio de Geotecnia”. Universidad de

Santiago de Chile, 2008.

Patrone Julio, Perfumo, José. Primera jornada de ingeniería de

cimentaciones. Facultad de Ingeniería Universidad de Montevideo.

Rodríguez R. Fernando, “Fundaciones en arcillas expansivas. Memorias

del 1er Congreso Chileno de Ingeniería Geotécnica”. Vol. II, 1-28, Santiago,

Chile, 1982.

Valenzuela Gloria. Suelo de fundación del gran Santiago. Instituto de

investigaciones geológicas de Chile. Boletín n°33. 1978.

Whitlow. Roy, Fundamentos de mecánica de suelos. 2da ed. Compañía

Editorial Continental S.A. (CECSA). México, 1994.