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• Yu Meza Rodriguez

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INDICE INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 2 SUELOS ARCILLOSOS ................................................................................................ 3 EL SUELO COMO ELEMENTO PORTANTE DE LAS CIMENTACIONES .............. 4 GEOTECNIA Y PROPIEDADES DE LOS SUELOS ARCILLOSOS ........................... 5 IDENTIFICACIÓN DE ARCILLAS EXPANSIVAS ..................................................... 7 Identificación En Campo ............................................................................................. 7 Grietas por secado.................................................................................................... 7 Plasticidad. .............................................................................................................. 7 Espejos de fricción. .................................................................................................. 7 Textura .................................................................................................................... 7 Daños estructurales. ................................................................................................. 7 Métodos Mineralógicos De Identificación ................................................................... 7 Difracción de rayos X .............................................................................................. 8 Análisis térmico diferencial ..................................................................................... 8 Análisis químico. ..................................................................................................... 8 Microscopio electrónico........................................................................................... 8 CASOS DE CIMENTACIONES ESPECIALES EN EL PERÚ ..................................... 8 CASO DE CIMENTACION EN SUELOS EXPANSIVOS ........................................ 9 FACTORES QUE AFECTAN A LA SELECCIÓN DE LOS CIMIENTOS SOBRE LOS SUELOS EXPANSIVOS .............................................................................................. 13 DAÑOS PRODUCIDOS EN LA CIMENTACIÓN ...................................................... 14 DISEÑO DE CIMENTACIONES ................................................................................ 16 Pasos del Diseño de Cimentaciones .............................................................................. 17 Capacidad de carga o apoyo de los cimientos. ........................................................... 18 COMENTARIOS FINALES Y CONCLUSIONES. ..................................................... 20

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CIMENTACIONES EN SUELOS ARCILLOSOS INTRODUCCIÓN Los suelos arcillosos son suelos que tienen potencial para la expansión y la contracción en condiciones de humedad. El cambio de volumen resultante de la expansión y contracción provoca daños a las estructuras asentadas sobre ellos. El área de suelo expansivo incluye casi todos los esquemas agrícolas y la mayoría de los proyectos de desarrollo en el país (Figura 01) y abarca aproximadamente el 31.46 % de la superficie total de Perú (ONERN 1985) Los daños causados a las estructuras por suelos arcillosos se han registrado en diferentes ubicaciones con presencia de arcilla (Investigación Propia). Los daños incluyen edificios, carreteras, fábricas, estructuras hidráulicas, etc., y se atribuyeron a la falta de identificación y clasificación de suelos arcillosos y el diseño inadecuado de los cimientos de las estructuras dañadas. Varios intentos se han hecho por estudiantes universitarios y empresas privadas, desde los años setenta del siglo pasado para identificar y clasificar suelos arcillosos y estudiar los diversos factores que afectan a sus características de expansión y contracción (Carrillo Gil, 1969; Alva Hurtado, 1985; Átala Cesar 1986, Ojada Díaz, 1987). Estos intentos resultaron en una mejor comprensión de los factores que afectan a la expansión y contracción de los suelos arcillosos de Perú y, por tanto, a la elaboración de guías para su identificación y clasificación. Este documento analiza las diferentes opciones de cimentación para estructuras sobre suelos arcillosos, directrices para su selección, el diseño y la construcción, con especial referencia a la experiencia en Perú.

Figura 01: Superficie con presencia de suelos arcillosos en Perú (ONERN 1985)

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SUELOS ARCILLOSOS Los suelos se componen de una variedad de materiales, la mayoría de las cuales no se expanden en presencia de humedad. Sin embargo, una serie de minerales de arcilla son expansiva. Estos incluyen: Esmectita, Bentonita, Montmorillonita, Beidellita, Vermiculita, Atapulgita, Nontronita, Ilita y Clorita capaces de absorber agua. Cuando estos suelos absorben agua aumentan de volumen. Este cambio de volumen puede ejercer suficiente fuerza sobre un edificio u otra estructura como para causar daños. Algunos de estos daños pueden ser cimentaciones agrietadas (Figura 02), pisos y paredes del sótano son típicos en sufrir daño causado por los suelos hinchados. El daño a los pisos superiores del edificio puede ocurrir cuando el movimiento de la estructura es significativo. Los suelos expansivos también reducen su volumen cuando se secan. Esta contracción puede eliminar el soporte de edificios u otras estructuras y dar como resultado el hundimiento perjudicial. También se desarrollan fisuras en el suelo (Figura 03). Estas fisuras pueden facilitar la penetración profunda de agua cuando se producen condiciones de humedad o escorrentía. Esto produce un ciclo de contracción y la hinchazón que provoca estrés repetitivo en las estructuras.

Figura 02: Daño del edificio: Note ladrillos desplazadas y desviación hacia dentro de la cimentación. (Foto: Cuerpo de Ingenieros del Ejército EE.UU.)

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Figura 03: Grietas de desecación en el suelo causadas por secado. (Foto: Cuerpo de Ingenieros del Ejército EE.UU.) EL SUELO COMO ELEMENTO PORTANTE DE LAS CIMENTACIONES Las cargas que transmite la cimentación a las capas del terreno causan tensiones y por tanto, deformaciones en la capa del terreno soporte. Como en todos los materiales, la deformación depende de la tensión y de las propiedades del terreno soporte. Estas deformaciones tienen lugar siempre y su suma produce asientos de las superficies de contacto entre la cimentación y el terreno.

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La conducta del terreno bajo tensión está afectada por su densidad y por las proporciones relativas de agua y aire que llenan sus huecos. Estas propiedades varían con el tiempo y dependen en cierto modo de otros muchos factores. Variación del volumen de huecos como consecuencia de la compactación del terreno. Variación del volumen de huecos como consecuencia del dezplazamiento de las partículas. Variación del volumen de huecos como consecuencia de la deformación de las partículas del terreno. Los cimientos constituyen los subsistemas de cualquier edificación que transmiten directamente las cargas de esta hacia el suelo o terreno; su función es distribuir las cargas del edificio, dispersándolas en el suelo adyacente, de modo que éste y los materiales que los sostienen tengan suficiente fuerza y rigidez para soportarlas sin sufrir deformaciones excesivas. Debido a las interacciones de suelos y cimientos, las características de los suelo o terrenos sobre los que se construye influyen de modo determinante en la selección del tipo y tamaño de los cimientos usados; estos últimos a su vez, afectan significativamente el diseño de la superestructura, el tiempo de construcción del edificio y, en consecuencia, los costos de la obra. Por tanto, para lograr una edificación segura y económica es fundamental disponer de cierto conocimiento de la mecánica de suelos y del diseño de cimentaciones. El estudio de los suelos, sus propiedades, y comportamiento, desde el punto de vista de la ingeniería civil, es el campo de la Mecánica de Suelos GEOTECNIA Y PROPIEDADES DE LOS SUELOS ARCILLOSOS Varios investigadores investigaron y recopilaron datos sobre las propiedades geotécnicas de los suelos expansivos en Perú. Su trabajo se basa principalmente en los datos recogidos de los informes de los servicios llevados a cabo por universidades y otras empresas de ingeniería. A continuación, resumiendo la investigación de uno de estos investigadores. (A. Carillo Gil) Las arcillas expansivas del norte del Perú, donde aparentemente son los movimientos irreversibles los que predominan en las arcillas y clima del lugar, levantamientos que son similares a los ocurridos en otras partes del mundo, siendo menos predominantes los debidos a cambios de clima seco a lluvioso y aún menos importantes los movimientos anuales periódicos, hecho afortunado de nuestra parte ya que estudios efectuados en diferentes países que sufren este mismo fenómeno indican que los movimientos debidos a la variación estacional son mucho más peligrosos que los movimientos irreversibles. Se ha establecido que el grado de expansión

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de los suelos arcillosos expansivos del Perú fluctúa de mediano a muy alto para hinchamiento libre medido en más de 2,000 especímenes de suelos típicos que varían de un mínimo de 5% a un máximo de 92% (caso excepcional de algunas arcillas de Talara), acusando la mayoría de ellos pesos unitarios promedio de 1.90 gr/cm3 en estado seco y de 1.80 a 2.00 gr/cm3 en estado natural. Encontrando que para el caso de las arcillas peruanas el límite de contracción evaluado tiene una variación de 13% a 22% para suelos expansivos que han causado graves problemas en las edificaciones, datos que no correlacionan con experiencias de otros lugares en los que se predicen grandes cambios de volumen para límites de contracción menores de 10. Esta misma situación ha sido también reportada por otros investigadores en USA y posteriormente en Israel coincidiendo en que los suelos altamente expansivos pueden sufrir también grandes contracciones. En base a la información presentada, se concluye que los suelos arcillosos son potencialmente muy expansivos y que el índice de plasticidad media y la presión de hinchamiento son 45% y 2.70 kg/cm2, respectivamente. El límite líquido promedio, capacidad de intercambio catiónico (CIC) y el hinchamiento libre fueron 70%, 25 meq. /gramo y 124%, respectivamente. La profundidad de la manta de arcilla varía de 1,5 m a más de 10,0 m. Un resumen de las propiedades físicas básicas medias a 3,0 metros se da en la Tabla 01. La Tabla muestra predominio de arcillas que tienen alto a muy alto potencial de hinchamiento.

Tabla 01: Promedio

propiedades

Índice de Muestras Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra

01 02 03 04 05

Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra

06 07 08 09 10 11 12 13

Plasticida d 35 32 33 39 34 10 31 24 48 43 32 31 33

físicas

de suelo

Contenid o de Finos % 93

Contenido de Arcilla % 33

82 87 75 ---

29 22 43 ---

61 64 75 79 81 79 55 86

22 33 21 --52 27 35 23

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IDENTIFICACIÓN DE ARCILLAS EXPANSIVAS Identificación En Campo Con un reconocimiento visual y manual o bien mediante clasificaciones sencillas se puede determinar las propiedades esperadas de un suelo en el campo. Algunos indicadores de la presencia de los suelos expansivos son: a) grietas por secado. b) Plasticidad c) Espejos de fricción. d) Textura e) Daños estructurales. Grietas por secado. Las grietas en los suelos expansivos aparecen en la superficie del terreno durante periodos de sequía, con un arreglo geométrico del tipo poligonal, frecuentemente de gran dimensión. La resistencia del suelo seco es alta. Plasticidad. En lo suelos expansivos, es relativamente fácil hacer un rollito de suelo sin desmoronarlo. Espejos de fricción. La superficie de suelos recientemente expuestos al aire muestra abundantes fisuras y espejos de fricción. Textura. Los suelos expansivos son resbalosos y tienden a pegarse a zapatos o llantas de vehículos cuando están húmedos. Daños estructurales. La presencia de grietas y distorsiones en las estructuras vecinas indican el potencial de expansión. Métodos Mineralógicos De Identificación La composición mineralógica tiene una influencia fundamental sobre el potencial expansivo de los suelos. Las cargas eléctricas negativas que existen en la superficie de los minerales arcillosos, las fuerzas que mantienen unidas a las unidades básicas y la capacidad de intercambio catiónico son factores que contribuyen al potencial expansivo de las arcillas. Por lo anterior, es posible identificar la expansivita de las arcillas al conocer su constitución mineralógica. En la actualidad se dispone de varias técnicas para identificar minerales arcillosos tales como:    

Difracción de rayos X Análisis térmico diferencial Análisis químico Microscopio electrónico

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Difracción de rayos X. Es el procedimiento más utilizado, consiste en determinar las proporciones de diferentes minerales arcillosos comparando las intensidades de líneas de difracción con aquellas definidas en substancias estándares. Análisis térmico diferencial. Usado junto con el procedimiento de difracción de rayos X y el análisis químico, es capaz de identificar otros minerales arcillosos difíciles de determinar. Análisis químico. Es un valioso suplemento de otros métodos, para grupos de minerales de montronorilonita, este método permite determinar las características de la substitución isomorfa y muestra el origen y localización de las cargas que tienen las superficies arcillosas. Microscopio electrónico. Con este método se tiene una manera directa para observar el suelo, es útil para definir la composición mineralógica, la textura y la estructura interna. Dos materiales con el mismo patrón de difracción de rayos X y curvas térmicas, diferenciales pueden mostrar diferentes características morfológicas desde el punto de vista del microscopio electrónico. Es importante mencionar que, para una identificación confiable, se deben usar varios métodos al mismo tiempo. En la identificación mineralógica, particularmente la interpretación de resultados para uso ingenieril, requieren de conocimientos y experiencias que no tiene generalmente un geotécnico, por lo que se debe acudir a expertos en el tema. CASOS DE CIMENTACIONES ESPECIALES EN EL PERÚ Numerosos casos de fallas en cimentaciones han ocurrido en los últimos años en el país, debido en parte al desconocimiento del comportamiento de cierto tipo de suelos de cimentación, y por otro lado a la incompetencia o negligencia, que se refleja generalmente en la incapacidad de hacer lo que es requerido para un proyecto determinado, tal como en muchos casos hemos establecido después de producida la falla. Extensas áreas de nuestro país presentan suelos colapsables, expansivos y de rellenos sueltos, etc., que deben ser estudiados convenientemente para utilizarlos como soporte en obras de ingeniería de poca o gran envergadura, dado a que presentan problemas principalmente de deformación por cambio de volumen del suelo, casi siempre por presencia de filtraciones de agua en exceso del contenido de humedad natural. Estos suelos han llamado la atención también en muchas partes del mundo y han sido materia de numerosas presentaciones en Congresos Internacionales y reuniones técnicas desde hace varias décadas, destacando las últimas ocurridas en nuestra región : la 7a. Sesión del XII Congreso Internacional de Mecánica de Suelos llevada a cabo en Río de Janeiro, Brasil en 1989 y la Sesión sobre Propiedades Geotécnicas de los Suelos de América, del IX Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos de Viña del Mar, Chile, en 1991.

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. El comportamiento de los suelos colapsarles fue presentado en Colombia y en Arequipa, así como los suelos expansivos en Texas y Denver, USA, Caracas, Venezuela, Bahía Blanca y Buenos Aires, Argentina y recientemente en Viña del Mar, Chile, así como en numerosas conferencias nacionales, lo que nos ha permitido acumular alguna experiencia que es motivo de la presentación del presente trabajo, tratando de mostrar resultados prácticos que permitan caracterizar estos suelos y manejarlos con cuidado para que no produzcan daños en las futuras obras de ingeniería que se construyan en el país. CASO DE CIMENTACION EN SUELOS EXPANSIVOS Todos los suelos arcillosos se contraen durante el secado y se expanden cuando son humedecidos, sin embargo, los mayores problemas por cambio de volumen son causados por suelos que contienen una cantidad significativa de mineral montmorillonita y que normalmente exhiben limites líquidos superiores a 50%, alto contenido de coloides e índices de plasticidad elevados. Extensas áreas del norte de nuestro país están conformadas por suelos arcillosos de alto poder expansivo, lo que ha dado lugar al desarrollo del estudio de estos suelos en los últimos tiempos, principalmente en zonas que comprometen áreas de expansión urbana y donde ha sido necesario construir caminos, aeropuertos, proyectos de irrigación y edificaciones de todo tipo, esencialmente livianas y de bajo costo. Las arcillas son coloides con propiedades eléctricas tales que originan fuerzas de interacción, o fuerzas físico-químicas, entre sus partículas o entre sus partículas y el agua; considerándose que el proceso expansivo se debe a un decrecimiento de los esfuerzo efectivos como una manifestación de las fuerzas repulsivas que actúan entre las partículas del suelo, las mismas que son originadas por los iones del componente difuso de la doble capa de agua que lo rodea, la cual causa rechazo en las superficies coloides cargadas.

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Fig. 2 Sales solubles vs. Agresividad sulfática en los suelos expansivos Desde el año 1965 se viene estudiando los problemas de las arcillas expansivas del norte del Perú, donde aparentemente son los movimientos irreversibles los que predominan en las arcillas y clima del lugar, levantamientos que son similares a los ocurridos en otras partes del mundo, siendo menos predominantes los debidos a cambios de clima seco a lluvioso y aún menos importantes los movimientos anuales periódicos, hecho afortunado de nuestra parte ya que estudios efectuados en diferentes países que sufren este mismo fenómeno indican que los movimientos debidos a la variación estacional son mucho más peligrosos que los movimientos irreversibles. Se ha establecido que el grado de expansión de los suelos arcillosos expansivos del Perú fluctúa de mediano a muy alto para hinchamiento libre medido en más de 2,000 especímenes de suelos típicos que varían de un mínimo de 5% a un máximo de 92% (caso excepcional de algunas arcillas de Talara), acusando la mayoría de ellos pesos unitarios promedio de 1.90 gr/cm3 en estado seco y de 1.80 a 2.00 gr/cm3 en estado natural. Resultados de investigaciones efectuadas en este tipo de suelos por el autor indican coincidencia con los presentados en el trabajo de MARIN - NIETO (12), encontrando que para el caso de las arcillas peruanas el límite de contracción evaluado tiene una variación de 13% a 22% para suelos expansivos que han causado graves problemas en las edificaciones, datos que no correlacionan con experiencias de otros lugares en los que se predicen grandes cambios de volumen para límites de contracción menores de 10. Esta misma situación ha sido también reportada por otros investigadores en USA. y posteriormente en Israel, coincidiendo en que los suelos altamente expansivos pueden sufrir también grandes contracciones. Por otro lado, resultados de ensayos efectuados para establecer la "actividad de las arcillas", índice que se correlaciona con la mineralogía o historia geológica, de las

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muestras, indican que tampoco pueden tomarse como válidos para los suelos expansivos de Perú. En las arcillas peruanas se ha evaluado la "actividad" para un número importante de muestras de suelo, calculándose sus respectivos índices de plasticidad y porcentaje de partículas de arcilla para compararlas con las correspondientes curvas termo diferenciales de los ensayos mineralógicos, encontrándose para suelos “activos" que la fracción arcilla consistía predominantemente de caolinita. A parte del caolín los miembros típicos de este grupo lo forman suelos derivados de erosión mecánica de rocas no arcillosas y arcillas post-glaciales o de estuario que subsecuentemente han sido depositadas en agua dulce. Algunos ensayos químicos efectuados en estos suelos denotan la presencia de carbonatos con un pH de 8 que corresponde a suelos básicos y con presencia en ellos del ion sulfato. En otro grupo de suelos ensayado, que se presume han sido formados por desecado normal y depositados en agua dulce, y que corresponden a arcillas marinas y de estuario con predominancia de ilitas como mineral de arcilla, se encontró muy poca coincidencia. Por último, en un tercer grupo de muestras ensayadas que acusan actividad mayor de 1.25 y provienen de depósitos que contienen apreciable cantidad de coloides orgánicos y cuyo mineral predominante puede atribuirse a la montmorillonita cálcica, una sola muestra resultó con "actividad" mayor de 2 y procede de un lugar donde se detectaron daños importantes en las edificaciones de uno y dos pisos apoyadas en este suelo expansivo Estas muestras pueden corresponder a arcillas "bentoníticas" cuyo mineral predominante generalmente es la montmorillonita sódica. Similarmente para algunas muestras que tienen características parecidas y en las que fue posible realizar ensayos químicos más o menos completos, para actividades mayores de 2 se les puede considerar como montmorillonita sódica muy activa dado a que han producido también daños considerables, detectándose además la presencia de pequeños lentes de sales, deduciéndose que se trata de cloruro de sodio presumiblemente por el origen marino de la formación geológica de la zona. Sin embargo, las arcillas que originaron mayores daños y que han presentado expansión libre excepcional hasta de 92%, no acusaron actividad muy marcada, apenas 1.64 como máximo. De igual manera muestras de suelo extraídas de un mismo depósito y aún de lugares muy cercanos de un sondaje a otro, indicaron variaciones importantes con respecto a su “actividad”, por lo que es posible concluir que para algunos suelos expansivos de la región norte del Perú, el porcentaje de arcilla y los valores de contracción no pueden considerarse como válidos para un buen diagnóstico de los minerales de arcilla constituyentes y consiguientemente de su probable grado de expansión, sin embargo, hemos encontrado coincidencia con el parámetro “gradiente mineral" propuesto por MARIN-NIETO, tal como se muestra en la figura 3, en la que se han ubicado diez valores típicos de arcillas expansivas peruanas junto a los resultados de los suelos ensayados en el Ecuador.

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Fig. 3.- Criterio de identificación de suelos expansivos en base a los límites de consistencia Para contrarrestar los efectos que el suelo expansivo origina al producirse un cambio en su equilibrio de humedad, con el consiguiente aumento de volumen, es necesario adoptar una serie de procedimientos de construcción eligiendo el método más eficiente de acuerdo al medio ambiente y tipo de suelo, dándole el tratamiento adecuado que permita la cimentación en cada caso; tratamiento que dependerá no sólo de la forma y tipo de estructura o de la magnitud de la expansión a esperarse, sino también de otros factores adicionales, tales como la variación del rango de expansión en el área ocupada por la estructura, la variación del esfuerzo rotacional aplicado a la edificación como resultado de una expansión diferencial y por último la influencia de la práctica constructiva local o procedimientos de construcción utilizados en cada lugar y su incidencia en la magnitud de los daños originados por el proceso expansivo (16). De igual manera y consecuente con nuestra experiencia en los suelos expansivos del Perú y después de una evaluación de laboratorio muy numerosa hemos llegado a establecer una manera práctica de hallar el grado de expansión de las arcillas en función de sus constantes de identificación, tal como se muestra en la Tabla II:

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TABLA II GRADO DE EXPANSION EN ARCILLAS PERUANAS % QUE PASA MALLA #Mayor 200 de 90 Mayor de 85

INDICE DE PLASTICIDAD 80 – 60

EXPANSION LIBRE PROBABLE (%) mayor de 50

25 – 30

Mayor de 80

18 – 30

Mayor de 70

15 – 20

GRADO DE EXPANSION MUY BAJO

20 – 40 15 – 18

ALTO MEDIO

BAJO mayor FACTORES QUE AFECTAN A LA SELECCIÓN DE LOS CIMIENTOS SOBRE LOS SUELOS EXPANSIVOS de 10 Los tipos de cimentación comúnmente utilizadas en todo el mundo para soportar cargas estructurales en el entorno de un suelo arcilloso son: zapatas individuales o continuas de poca profundidad, losa rígida o rigidizada y pilotes de hormigón perforados. Las cimentaciones superficiales como zapatas individuales o corridas son preferentemente utilizadas en suelos con estratos de arcilla relativamente delgadas de tal manera que permita colocar la cimentación en un estrato inferior de menor cambio expansivo. Las cimentaciones de losa constan de una losa delgada de hormigón arriostrada con vigas transversales para proporcionarle mayor rigidez. Son aplicables con un buen rendimiento en zonas donde los suelos poseen grandes cambios volumétricos de expansión y contracción. Sin embargo, los pilotes de concreto armado tienen un rendimiento satisfactorio en suelos arcillosos con alto a muy alto potencial de cambio volumétrico. Son favorecidos en suelos expansivos, principalmente debido a su capacidad para resistir las fuerzas de levantamiento cuando se instalan correctamente. El rendimiento y la selección de un tipo de cimentación técnicamente viable para una cierta estructura fundada sobre suelo arcilloso dependerá de: Las características de hinchamiento de los suelos encontrados, es decir, el potencial de cambio volumétrico de la capa o capas de arcilla expansiva, la profundidad y la secuencia de capas de los depósitos que se encuentran dentro del rango de influencia del sistema de cimentación.

UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ Las condiciones ambientales; éstos incluyen el contenido de humedad de las capas de suelo arcilloso, la profundidad del nivel freático, la intensidad de las precipitaciones, la temperatura y la cubierta vegetal. Estos factores afectan y controlan la profundidad de la zona de arcilla activa. La utilización de agua en ciertos edificios (por ejemplo, fábricas) es perjudicial y afecta el rendimiento futuro de las fundaciones. El tipo de la estructura, su forma, la rigidez / flexibilidad y la tolerancia a los movimientos. Consideraciones constructivas tales como la disponibilidad de ciertas herramientas de construcción (por ejemplo, equipos de perforación de pilotes) y la experiencia de los contratistas locales y propietarios de viviendas. DAÑOS PRODUCIDOS EN LA CIMENTACIÓN Cuando los suelos arcillosos están presentes por lo general no causan un problema si su contenido de agua se mantiene constante. La situación en la que se produce mayor daño es cuando hay cambios significativos o repetidos de contenido de humedad. La forma más obvia en la que los suelos arcillosos pueden dañar la cimentación es mediante la elevación, se hinchan con aumentos de humedad. Los suelos hinchados se levantan y se agrietan cargando ligeramente, zapatas, y con frecuencia causan grietas en las losas de piso. Debido a las diferentes cargas del edificio en diferentes partes de la cimentación de una estructura, la elevación resultante variará en diferentes áreas. Como se muestran en las Figura 04 y Figura 05, las esquinas exteriores de una losa de cimentación rectangular cargado uniformemente sólo ejercerán alrededor de un cuarto de la presión normal en un suelo hinchado de la ejercida en la parte central de la losa. Como resultado, las esquinas tienden a ser levantado respecto a la parte central. Este fenómeno puede ser exacerbado por los diferenciales de humedad dentro de los suelos en el borde de la losa. Tal movimiento diferencial de la cimentación también puede causar problemas a la elaboración de una estructura.

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Figura 04: Agrietamiento de estructura por movimiento céntrico (Fredlund & Rahardjo, 1993)

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Figura 05: Agrietamiento de estructura por movimiento perimetral (Fredlund &Rahardjo, 1993)

Figura 06: Una losa uniforme rectangular, uniformemente cargada, tendera a levantarse en las esquinas porque hay menos confinamiento. DISEÑO DE CIMENTACIONES La elección de los criterios normativos del diseño de cimentaciones tipo de cimientos, su profundidad y carga permisible o carga de apoyo suele ser un proceso repetitivo. Para que brinden un apoyo adecuado, todas las cimentaciones deben cumplir dos requisitos simultáneos:

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a) Capacidad de carga por apoyo adecuada cimentación. b) Asentamientos estructurales tolerables. Aunque relacionados, estos dos requisitos no se satisfacen automáticamente al mismo tiempo. Una cimentación con insuficiente capacidad de apoyo también se asienta excesivamente; pero lo mismo puede sucederle a una cimentación con capacidad adecuada. Por tanto, los dos factores, capacidad de carga, o apoyo, y asentamiento, deben ser revisados para basar el diseño de los cimientos en la condición que resulte crítica. Pasos del Diseño de Cimentaciones En la práctica, el procedimiento general que se sigue para el diseño de cimientos consiste: 1. Determinar la capacidad de carga inherente al tipo o tipos de cimentación posibles, dadas las condiciones del subsuelo y los requisitos estructurales del proyecto. 2. Reducir las capacidades últimas de carga calculadas multiplicándolas por un factor de seguridad de 2 a 3. El factor de seguridad más alto se utiliza donde se tiene menor certeza acerca de las condiciones del subsuelo. 3. Calcular los asentamientos que pueden ocurrirle a una cimentación con capacidad de carga permisible reducida y con las cargas estructurales previstas. 4. Si los asentamientos son estructuralmente aceptables, calcular los costos de los tipos de cimentación satisfactorios, sobre una base que permita comparaciones, como el precio por tonelada de carga en columnas o el costo por metro cuadrado en área construida. Dichos costos deben incluir todos los elementos estructurales del sistema de cimentación, como el casquete (remate) de los pilotes y cualquier trabajo de mejora del suelo que se considere necesario; no se deben olvidar siquiera los costos excepcionales, como la

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Eliminación de aguas. También es necesario ponderar el tiempo que se requiere para la construcción. Si todos los demás factores son iguales, optar siempre por el sistema de menor costo. 5. Si los asentamientos son inaceptables en todos los tipos de cimentación considerados, explorar otras alternativas, como mejora del suelo, reubicación del edificio, disminución de las presiones o cargas de apoyo, diferentes profundidades de apoyo y revisión de la superestructura. Repetir los casos 3 y 4 hasta que se encuentre una cimentación segura y lo más económica posible. En resumen, se debe garantizar la resistencia y economía del sistema cimiento. En definitiva, el problema ha de plantearse con estas cuatro premisas o conjunto de ellas: -

Finalidad Utilitaria.

-

Función Estructural o Estática.

-

Exigencia Estética.

-

Limitación Económica.

Capacidad de carga o apoyo de los cimientos. La capacidad de carga o apoyo es una característica de cada sistema de suelocimentación, y no sólo una cualidad intrínseca del suelo. Los distintos tipos de suelo difieren en capacidad de carga, pero también ocurre que en un suelo específico dicha capacidad varía con el tipo, forma, tamaño y profundidad del elemento de cimentación que aplica la presión. Existen dos tipos básicos de cimentación: superficial y profunda. Asimismo, hay algunas variaciones de cada tipo. Las cimentaciones superficiales constan de zapatas (llamadas zarpas en algunos países) aisladas, corridas y ligadas, y cimentaciones flotantes compensadas.

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Las cimentaciones profundas constan de cajones perforados (pozos descendentes) y muchas variedades de pilotes de concreto hincables o colados en su sitio.

En las Construcciones Industriales-Empresariales existen una enorme variedad de tipos de cimentaciones superficiales y profundas de acuerdo a las estructuras que deben soportar, Intercambiadores de calor, Torres, Chimeneas, Tanques, Esferas, Naves, etc.

El problema que se plantea es la transmisión de unas cargas del proceso y exteriores al terreno de la forma más económica, que dependerá como hemos visto de;   

Naturaleza del terreno Profundidad y Ancho de la cimentación Características de la estructura.

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COMENTARIOS FINALES Y CONCLUSIONES. A menudo cuando ocurre un desastre, la falla coloca a los propietarios, proyectistas y constructores en la posición de adversarios. Casi siempre cualquier esfuerzo de solución es orientado hacia la protección de intereses económicos o prácticos lo que no siempre conduce a una buena determinación de las causas reales de la falla y menos a su adecuada solución, más aún cuando existe la influencia política, que en nuestro medio muchas veces se ha dado, orientando a la opinión pública hacia causas o hechos que justifican una mala ejecución de la obra o que enmascaran vicios de construcción. Otras veces las fallas se esconden o no son divulgadas técnicamente por temores inherentes a posiciones administrativas o políticas de los funcionarios responsables, evitando tomar en cuenta el antecedente para el diseño y construcción de obras futuras similares, aumentando enormemente la posibilidad de una repetición catastrófica de errores previos. Nosotros los Ingenieros Civiles podemos prevenir las fallas que ocurren en las cimentaciones si nos comprometemos a un formal acercamiento al problema y si podemos comprender bajo qué circunstancias fallan los suelos permitiendo que se desarrollen condiciones de riesgo que resultan muchas veces después en catástrofes. Esto ha sido el principal objetivo de este trabajo tomando en consideración además que los análisis de confiabilidad y riesgo geotécnico son potencialmente más valiosos durante las primeras etapas de un proyecto de ingeniería, dado a que la decisión de proceder o no, ayudando a establecer criterios de diseño adecuados en los casos de apoyo en los suelos críticos del país, sin embargo, es conveniente indicar que siempre será útil mantener la continuidad entre el planeamiento, el diseño y la construcción que deben formar un solo proceso ya que algunas debilidades que existieran durante el diseño pueden hacerse latentes durante la construcción y las hipótesis de trabajo pueden modificarse para amoldarse mejor a la realidad del comportamiento del suelo, sea colapsarle, expansivo o de cualquier otra tipo. Todo esto requiere, además de hacer uso de la observación y la comprobación de las predicciones, utilizando las experiencias pasadas y los métodos probados de solución que vienen a ser una necesidad en la práctica de la ingeniería del futuro, dado a que las ingenieros civiles debemos proyectar obras estables y económicas, considerando las necesidades interactuantes del medio ambiente y los limitados recursos económicos que disminuyen actualmente, todo lo cual impone a nuestra profesión la obligación de ejecutar buenos proyectos apoyados en estudios técnicamente bien ejecutados, por profesionales idóneos y con la experiencia necesaria para resolver los variados problemas que presentan los suelos en las diferentes regiones del Perú. BIBLIOGRAFIA https://www.manualdelingenieroarcillasexpansivas.com https://www.icog.es/TyT/index.php/2015/04/arcillas-expansivas https://es.wikipedia.org/wiki/Arcilla_expansiva

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ANEXOS mapa geológico de Arequipa. Perfil estratigráfico del terreno (primer estrato suelo arcilloso).