Introducción

Una problemática importante, es la presencia de suelos arcillosos expansivos, cuya principal característica es la de producir movimientos como consecuencia de hinchamientos y retracciones o contracciones del subsuelo sobre el cual se apoya la cimentación, debidos a cambios de humedad y que provocan en la mayoría de los casos daños estructurales importantes.

Arcillas expansivas - Definición

• Se llaman arcillas expansivas aquellas que presentan cambio de volumen con los cambios de humedad, cuando la arcilla se humedece sufre fuerte expansión que produce daños considerables en paredes y pisos sobre todo en climas de largos o intermitentes períodos de humedad, debido a los cambios de volumen con los cambios de humedad. Cuando la arcilla se encuentra a considerable distancia bajo la superficie no se expande y contrae tanto, como cuando se encuentra cerca de la superficie, por lo tanto, los daños por levantamiento o movimientos de zapatas o muros pueden ser reducidos colocando éstas a suficiente distancia bajo la superficie.

• Las arcillas expansivas se caracterizan a menudo por su alto límite líquido (LL) y un alto índice de plasticidad (IP). El límite líquido (LL) del suelo se define como el contenido de humedad expresado en porciento con respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico.

Baja plasticidad LL < 35% Plasticidad intermedia LL = 35- 50% Alta plasticidad LL = 50 – 70% Plasticidad muy alta LL = 70 – 90% Plasticidad extremadamente alta LL

> 90%

Naturaleza y Comportamiento• Es importante conocer su

origen, naturaleza y base; por tanto su comportamiento frente a los cambios de humedad.

• Las arcillas expansivas, pertenecen a un grupo mineralógico muy amplio de materiales de naturaleza química silícea denominados silicatos. Dentro de estos, en función de la distribución de los tetraedros de SiO44- (figura 1) se clasifican sistemáticamente dentro de los Filosilicatos o silicatos laminares. Así, a grandes rasgos y en función del tipo de arcilla, entre lámina y lámina, se emplazarán en mayor o menor medida las moléculas de agua que producirán el hinchamiento.

Figura 1. Estructura química general de las arcillas

Los materiales arcillosos que son susceptibles de sufrir hinchamiento o procesos de expansividad, que permiten una entrada muy grande de agua entre las láminas de su estructura, son principalmente los pertenecientes al grupo de las esmectitas (figura 2)

Figura 2. Grupo de las esmectitas. Estructura de las arcillas tipo esmectitas. Note el espaciado interlaminar donde se pueden acomodar cationes

• Desde el punto de vista geotécnico, los suelos plásticos o arcillosos, son aquellos capaces de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elástico, cambiando su consistencia al variar el contenido de agua. En función de los cambios de contenido de humedad se dan diferentes estados físicos, siendo los límites para cada estado de consistencia los conocidos como límites de Atterberg: límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad, que son el punto de partida para la estimación de la expansividad de un suelo. En general y de forma orientativa, el grado de expansividad se puede determinar en función de las propiedades geotécnicas de los suelos según el cuadro adjunto:

Para la determinación de la expansividad de un suelo, los ensayos a realizar son:

• Granulometría, permitirá determinar el porcentaje de finos que contiene y clasificarlo en limos o arcillas según los criterios de Casagrande (límites de Atterberg). 

• Límites de Atterberg, para determinar los límites líquido y plástico y el índice de plasticidad. La plasticidad es la propiedad que presentan los suelos en poder deformarse, hasta cierto límite sin romperse.

• Según Atterberg, cuando un suelo tiene un índice plástico (IP) igual a cero, el suelo es no plástico, cuando el índice plástico es menor de 7, el suelo presenta baja plasticidad, cuando el índice plástico esta comprendido entre 7 y 17 se dice que el suelo es medianamente plástico y cuando el suelo presenta un índice plástico mayor que 17 se dice que es altamente plástico.

Cambio de volumen en el suelo: Los suelos arcillosos, especialmente los muy plásticos, se retraen mucho cuando se secan y se expanden cuando se humedecen.

Hinchamiento Lambe, obteniéndose el cambio de volumen potencial, pudiendo ser éste, No Crítico, Marginal, Crítico y Muy Crítico y el índice de hinchamiento (similar pero no igual a la presión de hinchamiento).

Humedad natural Edómetro presión de hinchamiento,

colapsabilidad, asientos, etc.

Descripción y origen de los daños Descripción: El comportamiento de este tipo de suelos frente a los cambios de humedad da lugar a la variación de su volumen, produciéndose movimientos por los asentamientos de la cimentación, lo que puede llevar a la estructura a soportar esfuerzos superiores a los previstos en cálculo y por tanto producir patologías no admisibles, que pueden ser:

A) Grietas verticales e inclinadas en ambos sentidos. Estos suelos provocan problemas de curvatura y quebranto combinados por empujes horizontales, que se manifiesta en fisuraciones en paramentos de fachadas:

Figura 3. Grietas inclinadas por asientos diferenciales debidos a

retracciones del suelo.

Por curvatura o cedimiento de la cimentación en la parte central del edificio.

Por quebranto o cedimiento de la cimentación en dos extremos al mismo tiempo

B) Fisuración y rotura de

elementos estructurales: Fisuración de cortante en nudos de entramado, grietas horizontales y/o inclinadas, rotura de forjados, vigas, muros de carga con grietas inclinadas y horizontales, etc. El asiento diferencial excesivo da lugar al movimiento de los pilares o grupos de pilares, superándose el límite elástico de algunos elementos estructurales.

Figura 4. Detalle de grieta horizontal entre huecos de fachada

Estos daños se manifiestan en principio en las fachadas ya sean portantes o no con las grietas anteriormente expuestas.

C) Deformación de pavimentos.

D) Rotura de conducciones, enfatizando aún más el problema al producirse la rotura de colectores que suministran agua al edificio.

Origen: El origen de las patologías por arcillas expansivas, depende directamente de tres factores que pueden interaccionar entre si y que son:

La naturaleza geológica y geotécnica del suelo y en concreto el porcentaje de contenido en finos para su caracterización.

El grado de expansividad a determinar en función de los diferentes ensayos enunciados.

Cambios de humedad. Debido a la estación en la que nos encontremos o por otros factores externos tales como rotura de tuberías de abastecimiento de agua, de saneamiento, zonas de riego abundante, existencia de árboles de crecimiento rápido y etc, se produce la hidratación y deshidratación del terreno.

Un método de estabilización de un suelo expansivo es la inyección a presión de lechada de cal y ceniza volátil, usualmente hasta una profundidad para cubrir la zona activa. Dependiendo de las condiciones del suelo en un sitio, se planean inyecciones simples o múltiples.

Hay varios mecanismos para la estabilización por arcillas expansivas dependiendo de los recursos que tengas y de la característica de la obra. 1) Mediante inyección de agua con cal.-La cal finalmente seca la arcilla disminuyendo su humedad y estabilizando la plasticidad de la arcilla.

También se pueden hacer perforaciones como para hacer pilotines y echarles cal seca la cual se diluye en el suelo plástico y tiene el mismo efecto. 2) Haciendo una cobertura perimetral a nivel -0.10 mt con geotextil en un ancho de 2 mt alrededor del edificio y a 10 cm por debajo del nivel de tierra. Es conveniente que el escurrimiento de las aguas sea hacia afuera

El geotextil mantiene constante la humedad del suelo y por lo tanto este no se hincha ni se contrae

Suelos colapsables - Definición Los suelos colapsables, llamados a veces suelos

meta estables, son suelos no saturados que sufren un gran cambio de volumen al saturarse. Este cambio es el resultado de la aplicación de carga adicional. Las cimentaciones construidas sobre tales suelos llegan a sufrir grandes y repentinos asentamientos cuando el suelo bajo la cimentación se satura con una humedad no anticipada, que puedo provenir de varias fuentes, como (a) tuberías rotas de agua, (b) drenajes con fugas, (e) drenaje del agua de depósitos y albercas, (d) incremento lento del nivel freático, etc. Este tipo de asentamiento causa generalmente considerables daños estructurales. Por consiguiente la identificación de los suelos colapsables durante una exploración al campo es crucial

La rama ab se determina de la prueba de consolidación sobre un espécimen con su contenido de humedad natural. A la presión 𝓅w. la relación de vacíos de equilibrio es e1. Sin embargo, si se introduce agua al espécimen hasta saturarlo, la estructura del suelo se colapsará. Después de la saturación, la relación de vacíos de equilibrio a la misma presión 𝓅w es e2,

cd es la rama de la curva e-log bajo carga 𝓅adicional después de la saturación.

Las cimentaciones construidas sobre tales suelos llegan a sufrir grandes y repentinos asentamientos cuando el suelo bajo la cimentación se satura con una humedad no anticipada, que puedo provenir de varias fuentes, como (a) tuberías rotas de agua, (b) drenajes con fugas, (e) drenaje del agua de depósitos y albercas, (d) incremento lento del nivel freático, etc. Este tipo de asentamiento causa generalmente considerables daños estructurales. Por consiguiente la identificación de los suelos colapsables durante una exploración al campo es crucial.

2. Características comunes: Reginatto (1977) señala que, en general, los suelos

colapsables presentan una serie de características comunes, tales como :

Estructura macroporosa, con índice de huecos (e), entre relativamente alto, a muy alto.

Granulometría predominantemente fina, con predominio de fracciones de limos y de arcilla. El tamaño de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos más grandes escasamente meteorizados.

Estructura mal acomodada, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por acumulaciones o "puentes" de material predominantemente arcilloso. En muchos casos existen cristales de sales solubles insertados en tales puentes o uniones arcillosas.

La mayoría do los suelos colapsables que se presentan en estado natural son eólicos, es decir, arenas y/o limos depositados por el viento, tales como los loes, las playas eólicas y los depósitos de polvo volcánico, los cuales tienen altas relaciones de vacíos, pesos específicos bajos y sin cohesión o sólo ligeramente cohesivos. Los depósitos de loes tienen partículas de tamaño de limo, La cohesión en los loes puede ser el resultado de la presencia de arcilla alrededor de las partículas de tamaño de limo, que las mantiene en una condición bastante estable en un estado no saturado. La cohesión también es ocasionada por la presencia de precipitados químicos lixiviados por el agua de lluvia.

 

Cuando el suelo se satura, la adhesión de la arcilla pierde su resistencia y por tanto sufre un colapso estructural. En Estados Unidos, grandes zonas del medio oeste y del oeste árido tienen tales tipos de depósitos. Los depósitos de loes se encuentra también en 15 y 20 % de Europa y grandes extensiones de China.

Muchos suelos colapsables son suelos residuales producto del intemperismo de las rocas madre. El proceso de intemperismo produce suelos con un gran rango de tamaños de partículas. Los materiales solubles y coloidales son lavados por el intemperismo, resultando grandes relaciones de vacíos y por consiguiente estructuras inestables.

3. Comportamiento de deformación de los suelos no saturados

Definición de colapso: Zur y Wisemam (1973) definen como

colapso a cualquier disminución rápida de volumen del suelo, producida por el aumento de cualquiera de los siguientes factores : Contenido de humedad (w) Grado de saturación (Sr) Tensión media actuante (τ) Tensión de corte (σ)

Reconociendo por lo tanto que el colapso de la estructura del suelo puede producirse por una variedad de procesos diferentes de la saturación. Reginatto (1977) sugiere que, a esta lista de factores puede agregarse la interacción química entre el líquido saturante y la fracción arcillosa.

A efectos de definir y diferenciar los distintos tipos de colapso Uriel y Serrano (1973,1974) clasifican a los suelos colapsables o desmoronables en:

Grupo I: Suelos en los que tiene lugar un rápido cambio de la relación entre presiones efectivas y las deformaciones sin que se alcance la resistencia última del material. De acuerdo con esto la causa del colapso es únicamente el cambio de las presiones efectivas.

A este grupo pertenecen los limos o arcillas cementadas y las rocas de gran porosidad. Cuando se ensaya a humedad constante, se detecta una notable modificación de su módulo de compresibilidad al alcanzar un cierto valor las presiones efectivas.

Grupo II: Suelos en los que, sin la presencia o cambio de las condiciones que producen el colapso, no hay cambio abrupto en la relación presión-deformación. Tal es el caso de los loess y algunas arcillas que contienen sulfatos. La saturación produce, sin embargo, un importante cambio volumétrico, debido probablemente a un incremento de la presión de los poros que origina el agotamiento de la resistencia al corte del suelo

Fenómeno de colapso Presión de poros (u) En los suelos parcialmente saturados con

una estructura abierta, al aumentar el grado de saturación por cambios ambientales o de otro tipo, pueden producir reducciones volumétricas irrecuperables sin que varíen las solicitaciones externas del suelo; es decir, sin aumento de la carga aplicada; este fenómeno se conoce con el nombre de colapso. el colapso que ocurre al fallar las uniones entre grandes partículas. La deformación que se atribuye al hinchamiento puede ser elástica; no así la que corresponde al colapso. Esta última implica un reordenamiento de la estructura y es irreversible.

Investigador Año Criterios

Denisov 1951

Coeficiente de

hundimiento:

Clevenger 1958

Si el peso especifico seco es menor que 80 lb/

pie3 (=12.6 kN/m3), el asentamiento sera grande:

si el peso especifico seco es mayor que 90 lb/pie3

(=14.1 kN/m3). El asentamiento sera pequeño

Periklonski 1952

Gibas 1961Razón de colapso,

esto fue puesto en forma gráfica

scolapsable no suelos :0.25.1

colapsable no arcillosos limo :0.1

colapsablemuy :75.05.0 natural vaciósderelación

liquido límite elen vaciosderelación

K

K

K

K

expansivos suelos :0.1

scolapsable no suelos :5.0

scolapsablemuy sueloss:0

dplasticida de índice

plástico) límite - natural agua de (contenido

K

K

K

K

líquido límite

saturaciónen agua de contenidoK

Soviet Ruilding Code 1962donde e0 = relación de vacíos natural y eL=relación de vacíos en

limite liquido. Para un grado de saturación natural menor que

60%, si L> -0.1, se trata de un suelo colapsable

Feda 1964

donde W0 = contenido de agua natural. Sr = grados de

saturación natural, LP = límite plástico e IP = índice de

plasticidad. Para Sr < 100%, si KL > 0.85, se trata de un suelo

asentable

Benites 1968

Una prueba de dispersión en la que de suelo se vierten en 12 ml

de agua destilada y el espécimen se cronometra que se dispersa;

tiempos de dispersión de 30 segundos fueron obtenidos para

suelos colapsables de Arizona.

Handy 1973

Ioes de Iowa con contenido de arcilla (< ): <16%: alta

probabilidad de colapso16-24%: probabilidad de colapso

24-32%: menos del 50% de probabilidad de colapso

> 32%: usualmente seguro contra el colapso

0

1

el

eeL L

IP

LPK L

r

0

S

W

Conclusiones 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

La realización de un estudio geotécnico completo previo a la realización del proyecto donde se determinen las características geológicas y geotécnicas del terreno de apoyo de la cimentación, es esencial para no alterar las condiciones de trabajo previstas.