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Capítulo 4. Suelos especiales

Capítulo cuatro 4.

Suelos especiales

Contenido 4. Suelos especiales ....................................................................................................................................................................................309 4.1 Introducción.......................................................................................................................................................................................313 4.2 Suelos dispersivos ...........................................................................................................................................................................313 4.1.1 Definición ................................................................................................................................................................................313 4.2.1 Identificación de arcillas dispersivas .........................................................................................................................314 4.2.1.1 Identificación de campo ....................................................................................................................................314 4.2.1.2 Identificación de laboratorio ..........................................................................................................................315 4.2.1.2.1 Ensayo de erosión interna (Pinhole test) ..............................................................................316 Ejemplo 4.1 .............................................................................................................................................................320 4.2.1.2.2 Análisis químico del extracto de agua de poros .................................................................321 4.2.1.2.3 Ensayo de doble hidrometría ......................................................................................................322 4.2.1.2.4 Ensayo químico de fracciones del suelo (Crumb test) .....................................................324 Ejemplo 4.2 .............................................................................................................................................................326 4.1.2 Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja con arcillas dispersivas .................................328 4.3 Suelos colapsables ...........................................................................................................................................................................328 4.1.3 Definición ................................................................................................................................................................................328 4.1.4 Identificación de suelos colapsables ...........................................................................................................................329 4.3.1.1 Identificación de campo ....................................................................................................................................329 4.3.1.2 Identificación de laboratorio ..........................................................................................................................329 4.3.1.2.1 Ensayo de colapso en suelos ........................................................................................................329 Ejemplo 4.3 .............................................................................................................................................................331 4.3.1.2.2 Ensayo del doble odómetro .........................................................................................................333 4.3.1.3 Relaciones empíricas ..........................................................................................................................................335 4.1.5 Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja con suelos colapsables ...................................337 4.3.1.4 Estabilización física .............................................................................................................................................338 4.3.1.5 Estabilización química .......................................................................................................................................338 4.4 Suelos expansivos ............................................................................................................................................................................338 4.1.6 Definición ................................................................................................................................................................................338 4.1.7 Identificación de suelos expansivos ............................................................................................................................340 4.4.1.1 Identificación de campo ....................................................................................................................................340 4.4.1.2 Identificación de laboratorio ..........................................................................................................................340 4.4.1.2.1 Ensayo de expansión libre según ASTM D-4829 ................................................................340 4.4.1.2.2 Ensayo para la obtención del índice de expansión libre modificado ........................341 4.4.1.2.3 Ensayo de expansión controlada según ASTM D-4546 ...................................................342 Ejemplo 4.4 .............................................................................................................................................................344 4.4.1.3 Relaciones empíricas ..........................................................................................................................................346 309

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4.4.1.3.1 A partir de correlaciones gráficas .............................................................................................346 4.4.1.3.2 A partir de tablas ...............................................................................................................................348 4.4.2 Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja con suelos expansivos....................................350 Referencias .................................................................................................................................................................................................351

Referencia a Figuras Figura 4.1 Falla por tubificación en una presa debido a la presencia de suelos dispersivos. ..........................314 Figura 4.2 Orificios superficiales producto de la tubificación de la arcilla dispersiva. .......................................315 Figura 4.3 Afloramiento superficial de sales. .........................................................................................................................315 Figura 4.4 Piezas del molde donde es colocado el espécimen. .......................................................................................318 Figura 4.5 Perforación del orificio interno. .............................................................................................................................318 Figura 4.6 Dibujo esquemático del equipo del ensayo de pinhole. ..............................................................................319 Figura 4.7 Ejecución del ensayo. Aplicación de la primera carga. ................................................................................320 Figura 4.8 . Relación entre porcentaje de Sodio Na (%) y el total de sales disueltas (TDS) (Journal of geotechnical engineering division, 1976). ......................................................................................................................................322 Figura 4.9 Materiales para el ensayo del doble hidrómetro. ...........................................................................................322 Figura 4.10 Resultados del ensayo de doble hidrometría. ...............................................................................................324 Figura 4.11 . Resultados en el ensayo químico de fracciones del suelo. ....................................................................325 Figura 4.12 Mecanismo de colapso de una arena colapsable (a) Estructura de suelo cargada antes de la inundación (b) Estructura de suelo cargada después de la inundación (Rogers, 1995). ..........................................329 Figura 4.13 Variación natural del índice de vacíos con la presión para un suelo colapsable (Das, 1999).331 Figura 4.14 Curva del ensayo de colapso. ................................................................................................................................332 Figura 4.15 Resultados obtenidos a partir del ensayo del doble odómetro (a) Suelo normalmente consolidado (b) Suelo sobreconsolidado. ........................................................................................................................................334 Figura 4.16 Suelo tipo loess con posibilidad de colapso. ..................................................................................................337 Figura 4.17 Expansión y contracción de una arcilla expansiva (Coduto, 2001). ...................................................339 Figura 4.18 Grietas de retracción .................................................................................................................................................340 Figura 4.19 Curva de expansión (American Society for Testing and Materials, ASTM D4546, 1999). ........343 Figura 4.20 Curva del ensayo de colapso. ................................................................................................................................346 Figura 4.21 Criterios comúnmente usados para determinar el potencial de expansión, según Abduljauwad y Al- Sulaimani, 1993 (Das, 1999). ......................................................................................................................................................347 Figura 4.22 Relación entre el porcentaje de expansión libre, límite líquido y contenido de humedad natural (después de Vijayvergiya y Ghazzaly, 1973) ..................................................................................................................................348

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Referencia a Tablas Tabla 4.1 Notación utilizada para clasificación de las características dispersivas de la muestra según el método A, B y C respectivamente (American Society for Testing and Materials, ASTM D4647 1999). ...........316 Tabla 4.2 Criterios para evaluar los resultados del ensayo de erosión interna y determinar la clasificación de las características dispersivas de la muestra según el método A, B y C respectivamente (American Society for Testing and Materials, ASTM D4647, 1999). ..........................................................................................................................317 Tabla 4.3 Datos del ensayo de erosión interna. ....................................................................................................................321 Tabla 4.4 . Características de los suelos analizados.............................................................................................................327 Tabla 4.5 Resultados de los ensayos de dispersión. ............................................................................................................327 Tabla 4.6 Clasificación del Índice de colapso, Ie (ASTM D5333-92).............................................................................331 Tabla 4.7 . Relación del potencial de colapso con la severidad en problemas de fundaciones (Clemente & Finbarr, 1981). .............................................................................................................................................................................................331 Tabla 4.8 Datos del ensayo de colapso. .....................................................................................................................................332 Tabla 4.9 Criterios para la identificación de suelos colapsables (Das, 1999). ........................................................335 Tabla 4.10 Valores límites de 𝛾𝑑 para distintos valores del 𝐿𝐿 (Das, 1999). .........................................................336 Tabla 4.11 Potencial de expansión de minerales de arcilla pura (Budge et al, 1964). ........................................338 Tabla 4.12 Potencial de expansión estimado a partir del índice de expansión libre (American Society for Testing and Materials, ASTM D4829, 1999)...................................................................................................................................341 Tabla 4.13 Potencial de expansión a partir del Índice de expansión libre modificado (Das, 1999). ............342 Tabla 4.14 Datos del ensayo de expansión controlada. .....................................................................................................344 Tabla 4.15 Resumen de criterios para identificar el potencial de expansión (según Abduljauwad y AlSulaimani, 1993). ........................................................................................................................................................................................348 Tabla 4.16 Sistema de clasificación de suelos expansivos (O’Neill y Poormoayed, 1980). ...............................350

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4.1 Introducción La mayoría de los estudios realizados en mecánica de suelos tienen como una de sus principales hipótesis el considerar al suelo en un estado saturado. Pero, en muchos lugares de nuestro planeta, sobre todo en aquellos extremadamente áridos, áridos y semiáridos el nivel freático se encuentra varios metros por debajo de la superficie, encontrándose uno con suelos que no se hallan totalmente saturados, es decir, con suelos no saturados. Estos suelos no saturados se constituyen en suelos especiales que en ocasiones presentan comportamientos problemáticos al aumentar su contenido de humedad natural. Los suelos problemáticos especiales se clasifican básicamente en tres tipos:  Suelos dispersivos  Suelos colapsables  Suelos expansivos Estos tres tipos de suelos hacen la construcción de fundaciones extremadamente difícil, debido a que por sus características especiales pueden llegar a causar en las estructuras grandes movimientos diferenciales como consecuencia de excesivos asentamientos o levantamientos. Por ejemplo, en la ciudad de Cochabamba, en el valle de Sacaba específicamente, en las últimas décadas se ha observado la degradación natural de los suelos debida a la alcalinización de los mismos. Esta degradación observada ha dado lugar a la presencia de un tipo especial de arcilla denominado arcilla dispersiva, la que fue detectada en la orilla norte del cauce del río Rocha en la zona de Arocagua. Al igual que en esta ciudad, las arcillas dispersivas han sido identificadas en muchos otros países del mundo, sobre todo en aquellos que presentan climas áridos a semiáridos, como el resultado de una acumulación de sedimento aluvial y lacustre. Por otro lado, en los predios del aeropuerto Jorge Wilstermann de la misma ciudad, se ha detectado la presencia de suelos colapsables. Este tipo de suelo al igual que el anterior se presenta con mayor frecuencia en lugares de características áridas, originándose por lo general de depósitos eólicos (arenas y/o limos depositados por el viento, tales como el loess, polvo volcánico, etc.) y depósitos de polvo volcánico. El objetivo principal de este capítulo es la identificación real de los suelos especiales en un proyecto dado, teniendo especial cuidado y atención durante el diseño y construcción en las áreas críticas en el que estos materiales van a ser usados.

4.2 Suelos dispersivos 4.1.1 Definición Se denomina dispersión al proceso por el cual las partículas de arcilla de muy pequeñas dimensiones, ven disminuidas sus fuerzas de atracción molecular por efecto de la presencia de iones de sodio, lo que las vuelve susceptibles al arrastre o dilución. Sherard et al (1976) indica que algunas arcillas naturales se dispersan ante la presencia de agua relativamente pura, como la originada por precipitaciones. El fenómeno se genera debido a que el agua presente en los poros del suelo tiene una mayor concentración de cationes que el agua pura de lluvia cuando esta última ingresa al suelo se produce lo siguiente: por un lado, tiende a tomar cationes del agua de poro para reducir la diferencia de concentración, lo que genera un desequilibrio entre el complejo de absorción de la 313

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partícula de arcilla y el agua de poro. El resultado es una descompensación eléctrica de la estructura química de la arcilla, aumentando la repulsión electrostática entre partículas, tendiéndola al estado coloidal. Según Holmgren et al (1976) la tendencia a una erosión por dispersión depende fundamentalmente del tipo de catión predominante en la estructura de arcilla, siendo los suelos sódicos más dispersivos que los que contienen calcio, potasio y magnesio. Por tanto, las arcillas dispersivas se caracterizan por presentar un elevado contenido de cationes sodio en el agua presente en sus poros. Estos cationes rodean totalmente a las partículas de arcilla haciendo que las fuerzas eléctricas repulsivas entre partículas excedan a las fuerzas atractivas, de tal forma que, cuando la arcilla entra en contacto con el agua, sus partículas son progresivamente desprendidas quedando así en suspensión. Las partículas suspendidas son finalmente acarreadas hacia los estratos inferiores del suelo, a través de los orificios dejados por raíces, la actividad de roedores o por la desecación del suelo. Este tipo de arcilla es sobre todo problemático cuando es utilizado en la construcción de canales y otras obras hidráulicas, pero principalmente en la construcción de presas heterogéneas donde es utilizado como material de construcción impermeabilizante, y si no se detecta a tiempo una arcilla dispersiva se dar la presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación, Figura 4.1.

Figura 4.1 Falla por tubificación en una presa debido a la presencia de suelos dispersivos.

Entre sus propiedades físicas, se tiene:  Al menos 12% de sus partículas (tomadas a partir del peso seco) son más finas que 0,005 mm.  Tienen un índice de plasticidad mayor que 4 (IP > 4).

4.2.1 Identificación de arcillas dispersivas 4.2.1.1 Identificación de campo La identificación de los suelos dispersivos debería comenzar con el reconocimiento en campo, determinar si existe algún indicio en la superficie como un inusual estampado erosional de túneles y hondonadas profundas llamados cántaros junto con la turbidez excesiva en cualquier depósito de agua, Figura 4.2.

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Capítulo 4. Suelos especiales

Las áreas de producción con poca cosecha y el crecimiento mal desarrollado y el afloramiento superficial de sales, Figura 4.3, también pueden indicar suelos altamente salinos, muchos de los cuales son dispersivos.

Figura 4.2 Orificios superficiales producto de la tubificación de la arcilla dispersiva.

Figura 4.3 Afloramiento superficial de sales.

4.2.1.2 Identificación de laboratorio Para la identificación de arcillas dispersivas en laboratorio, el Servicio de Conservación de Suelo de EEUU (SCS) recomienda la realización de al menos tres de los cuatro siguientes ensayos de laboratorio:  Ensayo de erosión interna (Pinhole test propuesto por Sherard et al) según ASTM D4647-93.  Análisis químico del extracto de agua de poros (propuesto por Sherard et al)  Método estándar para las características de suelos arcillosos por doble hidrometría según ASTM D4221-90.  Ensayo químico de fracciones de suelo (Crumb test propuesto por Emerson) según ASTM 6572. A continuación, se desarrolla el procedimiento para la realización de cada uno de estos ensayos.

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4.2.1.2.1 Ensayo de erosión interna (Pinhole test) El ensayo de Pinhole es el más usado actualmente por la confiabilidad de sus resultados, este ensayo presenta una medida directa y cualitativa de la dispersividad y consecuente erosión de suelos arcillosos que es causada por flujo de agua a través de un pequeño orificio pequeño perforado en la muestra. Según norma ASTM D4647-93, existen tres métodos para realizar este ensayo: A, B y C. La diferencia básica entre los tres métodos es el criterio utilizado para la clasificación de las características dispersivas de la muestra. El ensayo no se aplica a suelos con menos con menos del 12 % de partículas de 0,005 mm y con un índice de plasticidad menor o igual que 4. A continuación, en la Tabla 4.1 se presenta la notación utilizada para la clasificación de las arcillas dispersivas, usadas en los métodos A, B y C respectivamente. Tabla 4.1 Notación utilizada para clasificación de las características dispersivas de la muestra según el método A, B y C respectivamente (American Society for Testing and Materials, ASTM D4647 1999). Método A Clasificación

Observaciones

D1 – D2 ND4 – ND3

Arcillas dispersivas que fallan rápidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua. Arcillas ligera a moderadamente dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 50 mm o 180 mm de columna de agua. Arcilla no dispersiva con evidencia de muy ligera a no erosión coloidal bajo cargas de 380 mm o 1020 mm de columna de agua.

ND2 – ND1

Método B Clasificación

Observaciones

D SD

Arcillas dispersivas que erosionan rápidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua. Arcillas ligeramente dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 180 mm de columna de agua. Arcillas no dispersivas en las que se observa muy ligera a no erosión coloidal bajo cargas de 380 mm de columna de agua.

ND

Método C Clasificación

Observaciones

D1 – D2 ND4 – ND3

Arcillas dispersivas que fallan rápidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua. Arcillas dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 50 mm, 180 mm o 380 mm de columna de agua. Arcilla no dispersiva con evidencia de muy ligera a no erosión coloidal bajo cargas de 380 mm de columna de agua.

ND2 – ND1

La Tabla 4.2 presenta los criterios que se deben tomar en cuenta para la clasificación de arcillas dispersivas por medio de los métodos A, B y C.

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Capítulo 4. Suelos especiales

Tabla 4.2 Criterios para evaluar los resultados del ensayo de erosión interna y determinar la clasificación de las características dispersivas de la muestra según el método A, B y C respectivamente (American Society for Testing and Materials, ASTM D4647, 1999). Método A Cantidad final de flujo a través de la muestra (ml/s)

Color de flujo al final del ensayo Del costado (a)

Del tope (b)

5 10

1,0 – 1,4 1,0 – 1,4

Muy oscuro Oscuro

≥2,0 >1,5

50

10

0,8 – 1,0

Oscuro Moderadamente oscuro Levemente oscuro

≤1,5

180 380 1120 1120

5 5 5 5

1,4 – 2,7 1,8 – 3,2 >3,0 ≤3,0

Moderadamente oscuro Levemente oscuro Apenas visible Perfectamente claro

Clasificación

Carga (mm)

Tiempo de ensayo (min)

Cantidad final de flujo a través de la muestra (ml/s)

D SD

50 180 380 380

5 5 5 5

1,0 – 1,4 1,4 – 2,7 1,8 – 3,2 ≤3,0

Clasificación

Carga (mm)

Tiempo de ensayo (min)

D1 D2

50 50

ND4 ND3 ND2 ND1

Apenas visible Claro Perfectamente claro

Diámetro del orificio después del ensayo (mm)

≥1,5 1,5 ≥1,5

Apenas visible

10,0

Cero Bajo Moderado Moderadamente severo Severo

Tabla 4.7 . Relación del potencial de colapso con la severidad en problemas de fundaciones (Clemente & Finbarr, 1981). Potencial de colapso, 𝑰𝒄 (%)

Severidad del problema

0–1 1–5 5 – 10 10 – 20 20

Ningún problema Problema moderado Problema Problema severo Problema muy severo

Ejemplo 4.3 ENSAYO DE COLAPSO (ASTM-D5333) Solicitante:

Estado: Inalterado

Proyecto:

Muestra:

Ubicación:

Clasificación: ML

Fecha:

Profundidad (m): 1,20 – 1,80

331

Mecánica de Suelos. L.M. Salinas, J.H. Yapari, A. Canelas & A. Aranibar Tabla 4.8 Datos del ensayo de colapso. DATOS DEL ESPECIMEN Contenido de humedad inicial, (%) Contenido de humedad final, (%) Grado de saturación inicial, (%) Grado de saturación final, (%)

8,3 24,9 23,9 71,7

Altura, h (cm) Diámetro, ф (cm) Gravedad especifica, Gs

1,9 6,0 2,8

ETAPA SIN AGUA Carga aplicada (𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐 )

Lectura final (mm)

Asentamiento (mm)

Altura promedio (mm)

Altura drenada (mm)

Densidad seca (𝐠⁄𝐜𝐦𝟑 )

Relación de vacios (e)

Deformación vertical (%)

0,00 0,10 0,20 0,40 0,80 1,60

11,950 11,865 11,790 11,710 11,595 11,398

0,00 0,08 0,16 0,24 0,35 0,35

19,00 18,92 18,84 18,76 18,65 18,45

9,50 9,46 9,42 9,38 9,32 9,22

1,419 1,425 1,431 1,437 1,446 1,461

0,974 0,965 0,957 0,949 0,937 0,916

0.0 0,4 0,8 1,3 1,9 2,9

ETAPA CON AGUA Carga aplicada (𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐 )

Lectura final (mm)

Asentamiento (mm)

Altura promedio (mm)

Altura drenada (mm)

Densidad seca (𝐠⁄𝐜𝐦𝟑 )

Relación de vacios (e)

Deformación vertical (%)

1,60 3,20

5,490 5,000

6,46 6,95

12,54 12,05

6,27 6,03

2,149 2,237

0,303 0,252

34,0 36,6

Figura 4.14 Curva del ensayo de colapso.

332

Capítulo 4. Suelos especiales

4.3.1.2.2 Ensayo del doble odómetro Jennings & Knight (1956, 1975) desarrollaron el método del doble odómetro. Este método consiste de la realización de dos ensayos de consolidación: uno realizado sobre una muestra con contenido de humedad natural y el otro sobre una muestra que se encuentra saturada. Por medio de este ensayo es posible determinar el valor del potencial de hidrocolapso, ξw, como función del esfuerzo normal. De este modo, es posible obtener a partir de este ensayo un nuevo parámetro para medir el potencial de colapso.

Preparación de la muestra La preparación de las muestras para este ensayo es realizada del mismo modo que para el ensayo de consolidación unidimensional (ver Capítulo 2).

Procedimiento del ensayo Este ensayo se realiza de manera semejante al ensayo de consolidación especificado según norma bajo la designación ASTM D-2435. El ensayo de consolidación en su totalidad ya fue desarrollado en el Capítulo 2. Los pasos a seguir son los siguientes: 1.

Ensambladas las dos muestras en el odómetro, someter a las dos muestras a una presión de 1 [kN/m 2]

2.

Pasadas las 24 horas, saturar una de las muestras inundándola durante 24 horas. La muestra restante

durante 24 horas. debe mantener su contenido de humedad natural. 3.

Concluida la inundación, continuar con la aplicación de carga hasta alcanzar el nivel deseado (nivel a ser alcanzado en campo). La aplicación de los incrementos de carga es realizada del mismo modo que en el ensayo de consolidación, ASTM D-2435.

4.

Trazar las curvas de consolidación de laboratorio, para ambos ensayos.

5.

Trazar una línea vertical a través de ’o.

6.

Determinar la presión de preconsolidación, ’c, para la muestra de suelo inundada. Si 𝜎𝑐′ /𝜎𝑜′ = 0,8 − 1,5 el suelo es normalmente consolidado, mientras que si 𝜎𝑐′ /𝜎𝑜′ > 1,5 el suelo es sobreconsolidado.

7.

Calcular 𝑒𝑜′ , que es el índice de vacíos correspondiente al esfuerzo de 𝜎𝑜′ para la curva de consolidación de laboratorio de la muestra saturada.

8.

Por el punto (𝜎𝑜′ , 𝑒𝑜′ ), dibujar una curva paralela a la curva de consolidación de laboratorio de la muestra con contenido de humedad natural.

9.

Determinar el incremento de esfuerzo vertical, ∆𝜎𝑣 . Dibujar una línea vertical correspondiente al esfuerzo, 𝜎𝑜′ + ∆𝜎𝑣 y trazar por este una vertical.

10. A partir de la vertical trazada, determinar ∆𝑒1 y ∆𝑒2 , Figura 4.15. Luego, el asentamiento o deformación producida en el suelo sin cambio en el contenido de humedad natural es: 𝜀1 =

∆𝑒1 𝐻 1+𝑒

Y la deformación o asentamiento cuasado por el colapso de la estructura del suelo es: ∆𝑒2 𝜀2 = 𝐻 1 + 𝑒𝑜

(Ec. 4.4)

(Ec. 4.5)

333

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Donde: H = Espesor del suelo susceptible a colapsarse Luego el índice de hidrocolapso, ξw, es determinado como: (Ec. 4.6)

𝜉𝑤 = (𝜀1 − 𝜀2 ) × 100

(a)

(b) Figura 4.15 Resultados obtenidos a partir del ensayo del doble odómetro (a) Suelo normalmente consolidado (b) Suelo sobreconsolidado.

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Capítulo 4. Suelos especiales

4.3.1.3 Relaciones empíricas Houston et al (2001) propone el siguiente método de identificación de suelos colapsables a partir de la clasificación de suelos:  Suelos no plásticos: El suelo puede ser colapsable si: (Ec. 4.7)

𝐷60 < 0,1 𝑚𝑚 Donde: 𝐷60 = Diámetro mayor de partícula correspondiente al 60% más fino del suelo.  Suelos plásticos: El suelo puede ser colapsable, si:

(Ec. 4.8)

𝜔𝐼𝑃 > 10

𝜔𝐼𝑃 =

𝐼𝑃(%) ∗ 𝑃200 100

(Ec. 4.9)

Donde: ωIP = Valor de normalización de suelos plásticos. 𝑃200 =Porcentaje que pasa el tamiz No 200. La Tabla 4.9 presenta varios criterios para la identificación de los parámetros físicos de suelos colapsables. Tabla 4.9 Criterios para la identificación de suelos colapsables (Das, 1999). Investigador

Año

Criterio

Denisov

1951

Clevenger

1958

Priklonski

1952

Coeficiente de subsidencia 𝐾 (1) = 0,5 − 0,75 : Altamente colapsable 𝐾 (1) = 1,0 : Francamente no colapsable 𝐾 (1) = 1,5 − 2,0 : Suelos no colapsables Si el peso unitario seco es menor que 12 KN/𝑚3, el asentamiento será grande; Si el peso unitario seco es mayor que 14,1 KN/𝑚3, el asentamiento será pequeño. 𝐾 (2) < 0 : Suelos altamente colapsables 𝐾 (2) > 0,5 : Suelos no colapsables 𝐾 (2) > 1,0 : Suelos expansivos

Sovietic Building Code

1962

Feda Benites

1964 1968

Handy

1973

𝐿=

𝑒𝑜 − 𝑒𝐿 1 + 𝑒𝑜

Donde: 𝑒𝑜 = Índice de vacios natural 𝑒𝐿 = Índice de vacios en el límite líquido Para un grado de saturación natural menor que 60%, si L < 0,1, entonces es un suelo colapsable. (3) Si 𝐾𝐿 > 0,85 para Ѕ < 100%, es un suelo subsidente. Un ensayo de dispersión en el cual 2 g de suelo se dejan caer en 12 ml de agua destilada, y se toma el tiempo cronometra hasta la dispersión. Un tiempo de 20 a 30 segundos corresponde a suelos colapsables. Loess de Iowa con contenido de arcilla ( 20

Despreciable Moderado Alto Muy alto

4.4.1.2.3 Ensayo de expansión controlada según ASTM D-4546 Este ensayo es realizado sobre muestras de suelo inalteradas, sirve para determinar la magnitud de expansión o asentamiento bajo una presión vertical conocida, o determinar la magnitud de presión vertical necesario para mantener el volumen de altura constante, a su vez presenta tres alternativas para la determinación de la magnitud de expansión del suelo. Dichas alternativas se detallan a continuación: Método A Este método determina:  La expansión libre  El porcentaje de levantamiento debido a la aplicación de una carga vertical.  Presión de expansión Método B Este método determina:  El porcentaje de levantamiento debido a la aplicación de una carga vertical, que usualmente es equivalente a la presión inicial de sobrecarga in situ o a cualquier otra carga vertical.  Presión de expansión. Método C Este método determina:  Presión de expansión.  Presión de preconsolidación.  Porcentaje de levantamiento.

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Capítulo 4. Suelos especiales

Preparación de las muestras Para la realización de este ensayo se utilizan muestras de suelos inalteradas que deben ser compactadas y moldeadas de la misma manera que para un ensayo de consolidación normal. A partir de la curva de expansión Figura 4.19, que no es más que la curva obtenida a partir de la realización del ensayo de consolidación invertida, pueden realizarse las siguientes definiciones:

 Expansión primaria.- Expansión arbitraria realizada a corto plazo. La intersección de las tangentes sacadas a la curva de la Figura 4.19, se considera el fin de la expansión primaria.  Expansión secundaria.- Expansión a largo plazo. El inicio de la expansión secundaria es el fin de la expansión primaria.

Figura 4.19 Curva de expansión (American Society for Testing and Materials, ASTM D4546, 1999).

Procedimiento del ensayo El procedimiento a seguir es el siguiente: 1.

Colocar la muestra en el anillo de consolidación, tratando de que no exista evaporación del contenido

2.

Aplicar la presión de sobrecarga inicial in situ, y una vez transcurridos 5 min después de la aplicación,

de humedad de la muestra y aplicar una carga de asiento 1 kPa. ajustar el medidor a cero. 3.

A continuación, se sigue el mismo procedimiento realizado para un ensayo de consolidación normal, con las siguientes excepciones: Para el método A. Después de haber registrado la deformación inicial, inundar la muestra y registrar las deformaciones a diversos intervalos de tiempo. Las lecturas se dejan de tomar una vez que se ha completado la expansión primaria. 343

Mecánica de Suelos. L.M. Salinas, J.H. Yapari, A. Canelas & A. Aranibar

Después del fin de la expansión primaria, aplicar incrementos sucesivos de carga de 5, 10, 20, 40, 80 kPa, etc. La duración de cada incremento de carga es aquella que asegure el 100% de consolidación primaria. Para el método B. El ensayo comienza aplicando una presión mayor a la presión de sobrecarga inicial. Al cabo de 5 min leer la deformación debida a la presión. Luego inundar la muestra y realizar las lecturas respectivas hasta la finalización de la expansión primaria. Proceder a la aplicación de incrementos de carga tal como en el método A. Para el método C. El ensayo comienza aplicando una presión equivalente a la presión estimada in situ. Al cabo de 5 min leer la deformación inicial e inundar inmediatamente la muestra. A la muestra inundada, aplicar incrementos de carga, estos incrementos de carga tendrán la magnitud necesaria para evitar la expansión de la muestra 4.

La determinación del porcentaje de levantamiento es realizada de la siguiente manera: ∆ℎ 𝑒 − 𝑒𝑜 ∗ 100 = ∗ 100 ℎ0 1 + 𝑒𝑜

(Ec. 4.18)

Donde: 𝑒𝑜 = Índice de vacíos inicial. 𝑒 = Índice de vacíos a una cierta presión 𝜎. ∆ℎ = Cambio en la altura de la muestra. ℎ0 ∆ℎ ℎ0

= Altura inicial de la muestra. ∗ 100 = Porcentaje de levantamiento.

Ejemplo 4.4 ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA (ASTM D-4546, METODO A)

Solicitante:

Estado: Inalterado

Proyecto:

Muestra:

Ubicación:

Clasificación: SC-ML

Fecha:

Profundidad (m): 1,20 – 1,80

Carga de asiento (Kg⁄cm2 ): 0,01 DATOS DEL ESPECIMEN Contenido de humedad inicial, (%) Contenido de humedad final, (%) Grado de saturación inicial, (%) Grado de saturación final, (%)

5,24 13,22 40,85 98,76

Altura, h (cm) Diámetro, ϕ (cm) Gravedad especifica, Gs

1,90 6,00 2,73

Tabla 4.14 Datos del ensayo de expansión controlada. ETAPA DE EXPANSION Tiempo (min)

Lect. Dial (mm)

Expansión (mm)

Altura (mm)

Densidad seca (𝐠⁄𝐜𝐦𝟑 )

Relac. de vacios (e)

Expansión (%)

0,00 0,20 0,50 0,80

5,720 5,740 5,760 5,770

0,000 0,020 0,040 0,050

19,00 19,02 19,04 19,05

2,02 2,02 2,02 2,02

0,350 0,351 0,353 0,354

0,000 0,105 0,211 0,263

344

Capítulo 4. Suelos especiales 1,00 2,00 4,00 8,00 15,00 30,00

5,780 5,800 5,820 5,840 5,859 5,880

0,060 0,080 0,100 0,120 0,139 0,160

19,06 19,08 19,10 19,12 19,14 19,16

2,02 2,01 2,01 2,01 2,01 2,01

0,354 0,356 0,357 0,359 0,360 0,361

0,316 0,421 0,526 0,632 0,732 0,842

Tabla 4.14 (continuación). Datos del ensayo de expansión controlada. ETAPA DE EXPANSION Tiempo (min)

Lect. Dial (mm)

Expansión (mm)

Altura (mm)

Densidad seca (𝐠⁄𝐜𝐦𝟑 )

Relac. de vacios (e)

Expansión (%)

65,00 140,00 170,00 305,00 550,00 4160,00 4565,00 5595,00 6080,00 7055,00 8495,00 9935,00 11375,00 12815,00 14255,00

5,900 5,913 5,915 5,920 5,922 5,931 5,932 5,933 5,934 5,935 5,936 5,936 5,936 5,936 5,936

0,180 0,193 0,195 0,200 0,202 0,211 0,212 0,213 0,214 0,215 0,216 0,216 0,216 0,216 0,216

19,18 19,19 19,20 19,20 19,20 19,21 19,21 19,21 19,21 19,22 19,22 19,22 19,22 19,22 19,22

2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00

0,363 0,364 0,364 0,364 0,364 0,365 0,365 0,365 0,365 0,365 0,365 0,365 0,365 0,365 0,365

0,947 1,016 1,026 1,053 1,063 1,111 1,116 1,121 1,126 1,132 1,137 1,137 1,137 1,137 1,137

Carga (𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐 )

Lect. Final (mm)

Asentamiento (mm)

Alt. Prom. (mm)

Densidad seca (𝐠⁄𝐜𝐦𝟑 )

Relac. de vacios (e)

Def. vertical (%)

0,05 0,10 0,20 0,40 0,80 1,60 3,20 6,40

5,936 5,934 5,900 5,838 5,772 5,704 5,704 5,704

0,000 0,002 0,036 0,098 0,164 0,232 0,232 0,232

19,216 19,214 19,180 19,118 19,052 18,984 18,984 18,984

2,00 2,00 2,00 2,01 2,02 2,02 2,02 2,02

0,365 0,365 0,363 0,358 0,354 0,349 0,349 0,349

0,000 0,010 0,187 0,510 0,853 1,207 1,207 1,207

ETAPA DE CONSOLIDACION

ETAPA DE CARGA 0,10 𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐

0,20 𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐

0,40 𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐

0,80 𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐

1.60 𝐊𝐠⁄𝐜𝐦𝟐

Tiempo (min)

Def. (mm)

Tiempo (min)

Def. (mm)

Tiempo (min)

Def. (mm)

Tiempo (min)

Def. (mm)

Tiempo (min)

Def. (mm)

0,00 0,13 0,25 0,50 1 2 4 8 15

0,000 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002

0,00 0,13 0,25 0,50 1 2 4 8 15

0,000 0,019 0,020 0,021 0,023 0,024 0,024 0,025 0,027

0,00 0,13 0,25 0,50 1 2 4 8 15

0,000 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,051 0,052 0,055

0,00 0,13 0,25 0,50 1 2 4 8 15

0,000 0,035 0,038 0,038 0,039 0,042 0,045 0,048 0,048

0,00 0,13 0,25 0,50 1 2 4 8 15

0,000 0,040 0,042 0,043 0,044 0,047 0,050 0,052 0,043

345

Mecánica de Suelos. L.M. Salinas, J.H. Yapari, A. Canelas & A. Aranibar 30 70

0,002 0,002

30 60 155 215

0,029 0,030 0,033 0,034

30 70 995

0,058 0,060 0,062

40 90 140 320 1415

0,049 0,055 0,057 0,059 0,066

30 60 160 230 640 1420

0,054 0,056 0,059 0,061 0,065 0,068

Figura 4.20 Curva del ensayo de colapso.

4.4.1.3 Relaciones empíricas 4.4.1.3.1 A partir de correlaciones gráficas Existen varios sistemas de clasificación para suelos expansivos, basados todos ellos en los problemas que este tipo de suelos ocasiona en la construcción de fundaciones. 346

Capítulo 4. Suelos especiales

La posibilidad de expansión de los suelos puede ser establecida a partir de la Figura 4.21, según Abduljauwad y Al- Sulaimani (1993). Vijayvergiya y Ghazzaly (1973) analizaron varios resultados obtenidos de ensayos de expansión libre, y a partir de estos elaboraron una correlación gráfica entre la expansión libre, el límite líquido y el contenido de humedad natural, Figura 4.22.

Figura 4.21 Criterios comúnmente usados para determinar el potencial de expansión, según Abduljauwad y AlSulaimani, 1993 (Das, 1999).

347

Mecánica de Suelos. L.M. Salinas, J.H. Yapari, A. Canelas & A. Aranibar

4.4.1.3.2 A partir de tablas La Tabla 4.15 presenta un resumen de distintos criterios utilizados para la clasificación de suelos expansivos. La Tabla 4.16 presenta el sistema de clasificación desarrollado por la U.S. Army Waterways Experiment Station (Snethen et al, 1977) que es el más usado en los Estados Unidos.

Figura 4.22 Relación entre el porcentaje de expansión libre, límite líquido y contenido de humedad natural (después de Vijayvergiya y Ghazzaly, 1973) Tabla 4.15 Resumen de criterios para identificar el potencial de expansión (según Abduljauwad y Al-Sulaimani, 1993). Referencia Holtz (1959)

Criterios 𝐶𝐶 > 28; 𝐼𝑃 > 35 𝑦 𝐿𝐶 < 11(𝑚𝑢𝑦 𝑎𝑙𝑡𝑜) 20 ≤ 𝐶𝐶 ≤ 31; 25 ≤ 𝐼𝑃 ≤ 41 𝑦 7 ≤ 𝐿𝐶 ≤ 12(𝑎𝑙𝑡𝑜) 13 ≤ 𝐶𝐶 ≤ 23; 15 ≤ 𝐼𝑃 ≤ 28 𝑦 10 ≤ 𝐿𝐶 ≤ 16 (𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜) 𝐶𝐶 ≤ 15; 𝐼𝑃 ≤ 18 𝑦 𝐿𝐶 ≥ 15 (𝑏𝑎𝑗𝑜)

Seed y otros (1962) Véase la figura 15 (a)

Altemeyer (1955)

Observaciones Basado en CC,IP y LC

Con Base en la prueba del odómetro usando una muestra compactada, porcentaje de arcilla < 2µm y actividad. Con base en CL, LC y EP.

𝐶𝐿 < 5; 𝐿𝐶 < 12 𝑦 𝐸𝑃 < 0,5 (𝑛𝑜 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎)

348

Capítulo 4. Suelos especiales

5 ≤ 𝐶𝐿 ≤ 8; 10 ≤ 𝐿𝐶 ≤ 12 𝑦 0,5 ≤ 𝐸𝑃 ≤ 1,5 (𝑚𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙) 𝐶𝑙 > 8; 𝐿𝐶 < 10 𝑦 𝐸𝑃 > 1,5 (𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎) 𝐶𝐶 ≤ 15; 𝐼𝑃 ≤ 18 𝑦 𝐿𝐶 ≥ 15 (𝑏𝑎𝑗𝑜)

Dakshanamanthy y Raman (1973)

Véase la figura 15 (b)

Muestra 𝜌𝑑(𝑚𝑎𝑥) 𝑦 𝜔𝑜𝑝𝑡

remoldeada, empapada

bajo

sobrecarga de 6.9 kPa. Basado en la carta de plasticidad.

Tabla 4.15 (continuación). Resumen de criterios para identificar el potencial de expansión (según Abduljauwad y AlSulaimani, 1993). Referencia

Raman (1967)

Sowers y Sowers (1970)

Van Der Merwe (1964) Uniform Building Code, 1968

Snethen (1984)

Criterios

Observaciones

𝐼𝑃 > 32 𝑦 𝐼𝐶 > 40 (𝑚𝑢𝑦 𝑎𝑙𝑡𝑜) 23 ≤ 𝐼𝑃 ≤ 32 𝑦 30 ≤ 𝐼𝐶 ≤ 40 (𝑎𝑙𝑡𝑜) 12 ≤ 𝐼𝑃 ≤ 23 𝑦 15 ≤ 𝐼𝐶 ≤ 30 (𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜) 𝐼𝑃 < 12 𝑦 𝐼𝐶 < 15 (𝑏𝑎𝑗𝑜) 𝑆𝐿 < 10 𝑦 𝑃𝐼 > 30 (𝑏𝑎𝑗𝑜) 10 ≤ 𝑆𝐿 ≤ 12 𝑦 15 ≤ 𝑃𝐼 ≤ 30 (𝑚𝑜𝑑𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜) 𝑆𝐿 > 12 𝑦 𝑃𝐼 < 15 (𝑏𝑎𝑗𝑜)

𝐼𝐸 > 130 (𝑚𝑢𝑦 𝑎𝑙𝑡𝑜) 𝑦 91 ≤ 𝐼𝐸 ≤ 130 (𝑎𝑙𝑡𝑜) 51 ≤ 𝐼𝐸 ≤ 90 (𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜) 𝑦 21 ≤ 𝐼𝐸 ≤ 50 (𝑏𝑎𝑗𝑜) 0 ≤ 𝐼𝐸 ≤ 20 (𝑚𝑢𝑦 𝐵𝑎𝑗𝑜)

Con base en la prueba del odómetro en una muestra compactada con grado de saturación del 50% y sobrecarga de 6,9 KPa.

𝐿𝐿 > 60; 𝐼𝑃 > 35; 𝜏𝑛𝑎𝑡 > 4 𝑦 𝑃𝐸 > 1,5 (𝑎𝑙𝑡𝑜)

EP es representativa para condición de campo, se usa 𝜏𝑛𝑎𝑡 , pero se reducirá la exactitud.

𝑦 0,5 ≤ 𝑃𝐸 ≤ 1,5 (𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜) 𝐿𝐿 < 30; 𝐼𝑃 < 25; 𝜏𝑛𝑎𝑡 < 1,5 𝑦 𝑃𝐸 < 0,5 (𝑏𝑎𝑗𝑜)

McKeen (1992)

Vijayvergiya y Ghazzaly (1973) Kayak y Christensen(1974) Weston (1980)

Poca expansión ocurrirá cuando 𝜎𝑤 conduce a un IL de 0,25

Con base en IP, porcentaje de arcilla < 2m y actividad.

Véase la figura 15 (c)

30 ≤ 𝐿𝐿 ≤ 60; 25 ≤ 𝐼𝑃 ≤ 35; 1,5 ≤ 𝜏𝑛𝑎𝑡 ≤ 4

Chen (1988)

Basado en IP e IC.

𝐼𝑃 ≥ 35 (𝑚𝑢𝑦 𝑎𝑙𝑡𝑜)𝑦 20 ≤ 𝐼𝑃 ≤ 55 (𝑎𝑙𝑡𝑜) 10 ≤ 𝐼𝑃 ≤ 35 (𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜) 𝑒 𝐼𝑃 ≤ 15 (𝑏𝑎𝑗𝑜)

Basado en IP.

Con base en mediciones de pequeño contenido de agua, succión y cambio de volumen al secarse.

Véase la figura 15 (d)

log 𝑃𝐸 = (0,5)(0,44𝐿𝐿 − 𝜔𝑜 + 5,5)

Ecuaciones empíricas Ecuaciones empíricas

PE = (0,00229IP)(1,45C)/𝜔𝑜 + 6,38 𝑃𝐸 = 0,00411(𝐿𝐿𝑤 )4,17 𝑞−3,86 𝜔𝑜−2,33

Ecuaciones empíricas

Notación: 𝐶 = % de arcilla. 𝐶𝐶 = % de contenido coloidal. 𝐼𝐸 = Índice de expansión = 100 x % de expansión x fracción que pasa la malla No 4. 𝐼𝐿 = Índice de liquidez (%). 𝐿𝐿 = Límite Líquido (%). 𝐿𝐿𝑤 = Límite Líquido pesado, (%).

𝐸𝑃 = Expansión probable, (%). 𝑞𝑜 = Sobrecarga 𝐼𝐶 = Índice de contracción, (%)  LL  LC 𝑃𝐸 = Potencial de expansión, (%). 𝜔𝑜 = Contenido de humedad natural del suelo (%). 𝜏𝑛𝑎𝑡 = Succión natural del suelo en tsf. 𝜌𝑑(𝑚𝑎𝑥) = Densidad seca máxima.

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𝐶𝐿 = Contracción lineal, (%). 𝐼𝑃 = Índice de plasticidad, (%).

𝜔𝑜𝑝𝑡 = Contenido de humedad óptimo (%).

Tabla 4.16 Sistema de clasificación de suelos expansivos (O’Neill y Poormoayed, 1980). Límite Líquido

Índice de plasticidad

Expansión potencial (%)

Clasificación de la expansión potencial

< 50 50 – 60 > 60

< 25 25 – 35 > 35

< 0,5 0,5 – 1,5 > 1,5

Baja Marginal Alta

Expansión potencial = expansión vertical bajo una presión igual a la presión de sobrecarga.

4.4.2 Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja con suelos expansivos Los daños en las estructuras de fundación que ocurren como resultado de la presencia de un suelo con elevado potencial de expansión, pueden ser evitados a través de la aplicación de las posibles alternativas:  Reemplazar el suelo expansivo bajo la fundación. Esta alternativa es viable en caso de que se trate de suelos poco profundos.  Estabilización del suelo expansivo, ya sea mediante compactación controlada, prehumedecimiento del suelo y/o estabilización química. La compactación cuando se trabaja con suelos expansivos puede ser una medida útil para disminuir el potencial de expansión. Por lo general, no se recomienda el uso de losas de fundación, sobre todo en casos donde se espera un levantamiento mayor a 38 mm. Por otro lado, el principal objetivo del prehumedecimiento es que la mayor parte del levantamiento se de antes de la construcción. Esto se consigue incrementando el contenido de humedad del suelo a través de un embalse. Posteriormente, se agrega 4-5% de cal hidratada a la capa superior de suelo, obteniéndose de esta manera una capa de suelo menos plástica y más trabajable. La desventaja principal de este procedimiento radica en que la infiltración en suelos arcillosos es muy lenta. Finalmente, la estabilización química del suelo es realizada con ayuda de cal y cemento. La cal o cemento y agua son mezclados con la capa superior de suelo, para luego ser compactadas. Este procedimiento puede ser realizado hasta 1,5 m de profundidad, siendo el principal objetivo el de disminuir el límite líquido, el índice de plasticidad y las características de expansión del suelo.

350

Capítulo 4. Suelos especiales

Referencias Coduto, Donald P. “Geotechnical Engineering Principles and Practices”. Prentice Hall. Coduto, Donald P. “Geotechnical Engineering Principles and Practices, Second Editión”. Prentice Hall. Holmgren, G.G.S and Flanagan, C.P. (1976). “Factors Affecting Spontaneous Dispersion of Soil Materials as Evidenced by Crumb Test. Proceedings”. American Society for Testing and Materials. Publication N° 623. Holtz, W. G. and Gibbs, H. J. (1956). Engineering properties of expansive clays, Trans. Am. Soc. Civil Engneering, 121: 63-64. Jennings, J.E. and Knight, K. (1975) “A guide to construction on or with materials exhibiting additional settlement due to collapse of grain structure”. Proceedings 6th African Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Salinas L.M., Rojas J.C., Salinas R.A. (2003). “Suelos colapsables: Identificación y estabilización química”. Sherard, J.L., Dunnigan L.P. Decker, R.S. y Steel E.F. (1976). “Pinhole Test for Identifying Dispersive Soils”. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE. Sherard, J.L., y Decker, R.S., (1977), eds., “Dispersive Clays, Related Piping, and Erosion in Geotechnical Projects”. STP 623, ASTM, Philadelphia, Pensylvania. Sherard, J.L. y Decker, R.S. (1977). “Some Engineering Problems with Dispersive Clays”. Proc. Symposium on Dispersive Clays, Related Piping, Erosion in Geotechnical Projects, ASTM SPT G23, pp. 3-12. Vijayvergiya V. N., Ghazzaly O. I. 1973. “Prediction of swelling potential for natural clays”. Proc. of the 3rd Int. Conf.on Expansive Clay Soils. 1. Jerusalem: Jerusalem Academic Press.

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