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• José Carlos Choque Ayhuasi

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UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ ESCUELA DE POST GRADO MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL. MENCION: GEOTECNIA Y TRANSPORTES.

MONOGRAFIA CIMENTACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS ASIGNATURA: mecánica de suelos avanzada. Docente: Ing.DR. Samuel huaquisto Cáceres Integrantes: Ing. CHOQUE AYHUASI JOSE CARLOS Bach. TICONA QUISPE JUAN GABRIEL PUNO, NOVIEMBRE DEL 2018

PROBLEMA Los suelos expansivos, que en ocasiones se denominan suelos colapsibles o suelos metaestables, son suelos no saturados que experimentan un gran cambio de volumen al saturarse Las cimentaciones que se construyen sobre esos suelos pueden experimentar un asentamiento grande y repentino si el suelo abajo de ellos se satura con un suministro no anticipado de humedad. Por ejemplo, los suelos expansivos o colapsables (colapsibles) pueden causar grandes movimientos diferenciales en estructuras como resultado de un excesivo levantamiento o asentamiento. Los ingenieros de cimentaciones deben poder identificar los suelos difíciles cuando los encuentren en el campo. Si bien no todos los problemas ocasionados por todos los suelos se pueden resolver, se pueden tomar medidas preventivas para reducir la posibilidad de daño a estructuras construidas sobre ellas.

OBJETIVOS 

Estudiar la naturaleza y comportamiento de los suelos expansivos,



Estudiar los métodos para identificarlos y tratarlos a fin de evitar los daños que podrían provocar a las estructuras

MÉTODOS 

De acuerdo al reglamento nacional de edifcaciones las cimentaciones profundas pueden aplicarse en caso de suelos expansivos.

RESULTADO Conclusiones El usar pequeñas cantidades de cal (1% a 2%) de aditivos de calcio (cemento y cal) puede mejorar significativamente y capacidad de carga del suelo expansivo.

CUERPO DEL TRABAJO SUELO EXPANSIVO Se conoce como suelos expansivos a aquellos que presentan expansiones o contracciones, es decir que se producen cambios en su volumen cuando varía su contenido de agua. Los minerales arcillosos en especial los del grupo de la Montmorilonita debido a su estructura tienen la capacidad de retener grandes cantidades de agua, produciéndose así el incremento de volumen del material y también una drástica reducción de volumen cuando el agua retenida se seca. Cuando el suelo cuenta con la presencia de arcillas muy plásticas, parcialmente saturadas estos pueden pre consolidarse fuertemente por desecación. Si este tipo de suelos tiene acceso al agua, estando sometidos a bajos esfuerzos van a absorber el agua y se expansionarán. La expansión en el suelo se puede producir por varios fenómenos como es el caso de la recuperación elástica de los granos de suelo, la atracción de agua por los minerales arcillosos, la repulsión eléctrica de las partículas de arcilla y sus cationes adsorbidos de unos a otros y la expansión del aire atrapado en los poros. Resulta difícil predecir la expansión y contracción del suelo, pues esto depende del carácter del suelo y de los cambios de humedad de la zona. La contracción o retracción se puede determinar secando el suelo y calculando la relación entre el volumen y la humedad de saturación; mientras más bajo es el límite de retracción, mayor será la contracción potencial del suelo. La expansión se puede conocer por medio de un ensayo de expansión libre y presión de hinchamiento. Se ha encontrado también que el límite de retracción y el índice de plasticidad dan un indicador del potencial cambio de volumen del suelo. (SOWERS & SOWERS, 1972) FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL EXPANSIÓN DE SUELOS El potencial expansivo de un suelo (presión de hinchamiento y elevación) dependen, como mínimo, de las siguientes variables: NATURALEZA Y TIPO DE ARCILLA. La composición mineralógica de la arcilla (porcentajes de illita, caolinita y montmorillonita) que está compuesto la arcilla resultan

fundamentales en cuanto al potencial expansivo del suelo. Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes de montmorillonita. HUMEDAD INICIAL El elemento “catalizador” del fenómeno de la expansión, es

precisamente, la variación en el contenido de humedad del suelo. Por más montmorillonita que esté compuesta una arcilla, si no hay variación en el contenido de humedad del suelo, no habrá cambios volumétricos. No es necesario que el suelo se sature completamente para que produzca expansión del mismo. Por el contrario, en determinados casos, es suficiente variaciones en el contenido de humedad del suelo de sólo 1 o 2 puntos porcentuales, para causar hinchamientos y producir daños estructurales. El contenido de humedad inicial del suelo controla la magnitud del asentamiento. Arcilla “secas”, con contenido de humedad por debajo del 15 % indican un riesgo de expansión alto, pues fácilmente pueden llegar absorber contenidos de humedad de 35 % con las consecuentes daños estructurales. Por el contrario, arcillas cuyo contenido de humedad está por encima del 30 % indica que la mayoría de la expansión ya ha tenido lugar y sólo es esperable algún leve hinchamiento remanente. PESO ESPECÍFICO SECO DEL SUELO Muy relacionada con la humedad

inicial, el peso específico seco del suelo es otra variable fundamental en el proceso expansivo del suelo. La densidad seca de una arcilla se ve reflejada en valores altos en los resultados en el ensayo de penetración estándar. Valores de "N" inferiores a 15 indican densidades secas bajas y riesgo expansivo bajo, aumentando significativamente estos a medida que aumenta el valor de “N”. CARACTERÍSTICAS PLÁSTICAS DEL SUELO Como ya fue explicado

anteriormente las propiedades plásticas del suelo juegan un importante papel en el fenómeno expansivo POTENCIA DEL ESTRATO ACTIVO A través de ensayos de laboratorio sobre

muestras de un mismo suelo, compactadas al mismo grado densidad y humedad inicial, se ha estudiado el efecto del espesor del estrato en la magnitud total del hinchamiento. Los resultados mostraron que la magnitud del cambio volumétrico experimentado es proporcional al espesor del estrato, mientras que la presión de

expansión se mantiene constante. Esto nos estaría indicando que si una estructura es capaz de trasmitir una presión uniforme y constante a profundidades importantes debajo de la fundación se podría contrarrestar el fenómeno de cambio volumétrico. Pero como sabemos esto no es posible, ya que, a medida que aumentamos la profundidad, la presión trasmitida por la zapata de fundación disminuye y por lo tanto no constituye un método efectivo para el control de la expansión. FATIGA DE LA EXPANSIÓN En muestras sometidas en laboratorio a ciclos de

saturación y disecado mostraron señales de fatiga después de varios ciclos. Este fenómeno no ha sido todavía suficientemente investigado. Se ha notado en pavimentos sometidos a variaciones estacionales en el contenido de humedad del mismo que tienden a un cierto punto de estabilización luego de un cierto número de años. En el gráfico adjunto se puede ver una curva de fatiga típica de las obtenidas en ensayos de laboratorio. COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS Condiciones para que un suelo sea expansivo. Básicamente son dos las condiciones que deben cumplirse para que un suelo sea expansivo: 1. El suelo debe contener un mineral arcilloso que manifieste cambios de volumen al ser sometido a cambios en su contenido de humedad. 2. El suelo debe estar en condiciones de secado durante por lo menos parte de los ciclos estaciónales. Además, para tener un efecto ingenieril significativo, el estrato que contiene al mineral arcilloso expansivo debe poseer un espesor suficiente como para crear movimientos notables TRATAMIENTOS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS. Medidas preventivas básicas. Cualquier construcción sobre suelos expansivos debe incluir al menos las siguientes medidas preventivas básicas:

Drenaje superficial: El aseguramiento de que la superficie del suelo tenga una pendiente hacia fuera de la estructura y la instalación de canaletas que descarguen lejos de su cimentación, ayudan a limitar la posibilidad de que el agua de lluvia se infiltre a los estratos expansivos subyacentes. En general, se recomienda que las áreas pavimentadas y sin vegetación tengan una pendiente mínima del 2%, mientras que las áreas con vegetación tengan una del 5%

Instalaciones subterráneas: Las instalaciones subterráneas a menudo son distorsionadas por los movimientos diferenciales del suelo (esto es más propenso a ocurrir en los lugares donde las tuberías entran a los edificios). En general, el riesgo de expansiones localizadas debidas a fugas en las tuberías de agua o drenaje puede ser reducido mediante el uso de tuberías flexibles (tales como las de PVC), con juntas igualmente flexibles (las juntas macho – hembra son especialmente susceptibles a sufrir daños) Subdrenajes: Los subdrenes bajo y alrededor del perímetro de la cimentación, y los drenes verticales de arena que llegan hasta los estratos subyacentes más permeables, pueden minimizar la expansión del suelo. Debido a que estos sistemas no detienen la migración de humedad, aunque si elimina al agua libre en exceso, siempre existe la posibilidad de que se presenten expansiones substanciales. Cabe destacar que cuando se decida instalar subdrenes, es conveniente instalarlos con una pendiente mínima del 0.50 % (a fin de evitar posibles contraflujos), además de cubrirlos mediante un geotextil (a fin de evitar su azolve). Diseño de estructuras O´Neill y Poormoayed (1980) clasificaron a las soluciones para construir sobre suelos expansivos en tres categorías básicas:

1. Las que alteran las condiciones del suelo expansivo a fin de reducir o eliminar su potencial de expansión. 2. Las que evitan a los suelos expansivos, aislando a las cimentaciones de sus efectos. 3. Las que proveen cimentaciones capaces de soportar los movimientos diferenciales del suelo, mitigando sus efectos sobre la superestructura. Cada una de estas propuestas incluye metodologías específicas, algunas de las cuales se discutirán a continuación: Alterar el suelo expansivo. Remplazamiento: El método más obvio de prevención de daños es el de reemplazar al suelo expansivo por uno que no lo sea. Si bien este método es muy efectivo, en general resulta costoso, por tanto es práctico de aplicar solo en el metro más superficial del suelo (los suelos de reemplazo colocados sobre los suelos expansivos les provocan una sobrecarga que tiende a reducir sus potenciales de expansión). Control de la compactación: La opción de utilizar al mismo suelo expansivo del sitio, aunque después de realizarle un remoldeo con un adecuado control en el contenido de humedad y densidad de compactación, es uno de los métodos más prácticos y económicos para el control de expansiones, llegando a reducirlas o incluso eliminarlas. En general, los suelos expansivos deben ser compactados y mantenidos a humedades mayores a su óptimo, y a las menores densidades posibles, debido a que esto reduce su potencial de expansión y a que la mayoría de las construcciones son menos susceptibles a los daños por contracciones que por expansiones del suelo. Además de los métodos de compactación que inducen esfuerzos cortantes, tales como los de amasado mediante el uso de rodillos pata de cabra, tienden a reducir las expansiones del suelo, debido a que producen una dispersión en el arreglo de sus partículas. Cabe destacar que durante un proceso de compactación, puede ser más importante controlar el contenido de humedad del suelo que su densidad. Esto

fue comprobado por Gizienski y Lee (1965) durante un estudio que realizaron (fig. 6.2), ya que cuando las muestras fueron compactadas a humedades alrededor de un 4.5% mayores a su óptimo (contenido de humedad óptimo del 10.5%) se presentaron expansiones insignificantes para cualquier grado de compactación, mientras que cuando fueron compactadas a humedades de alrededor de un 3% por debajo de su óptimo se registraron expansiones excesivas incluso para bajos grados de compactación.

Tratamiento con cal: Este método de estabilización es especialmente útil cuando se van a crear rellenos a gran escala de materiales expansivos o cuando existen profundidades superficiales de estos. Aunque presenta el inconveniente de que un adecuado mezclado entre el suelo y la cal solo puede llevarse a cabo de manera práctica en el metro más superficial del suelo, si bien usualmente solo se realiza en los 30 o 50 cms más superficiales, además de que la aplicación de cal incrementa el pH del suelo, lo cual tiende a evitar el crecimiento de las plantas.

Estabilización con cemento: La estabilización con cemento Pórtland se desarrolla a partir de la creación de ligas cementantes entre las partículas de suelo y los silicatos y aluminatos hidratados de calcio producidos durante la hidratación del cemento, siendo que la dureza obtenida durante la cementación se debe a la desecación gradual de los productos gelatinosos y a la cristalización de los nuevos minerales. Schaefer (1997) describió la manera específica en la que el cemento interactúa con el suelo: Evitar al suelo expansivo. Una forma de mitigar los efectos de las expansiones sobre las estructuras es la de soportarlas en los suelos más profundos, evitando a las zonas más activas del suelo. Estos métodos son especialmente útiles cuando se tiene estratos expansivos relativamente delgados con suelos no expansivos subyacentes. Profundización de zapatas: Cuando se trata con suelos poco expansivos, generalmente con presiones de expansión menores a 25 t/m2, usualmente basta con aplicar un sistema de cimentación a base de zapatas aisladas ligeramente profundizadas (tal vez de 0.5 a 1.0 metro por debajo del nivel normal de desplante), debido a los requerimientos tan bajos de sobrecarga necesarios para limitar el cambio de volumen del suelo. Pisos soportados sobre pilas coladas in situ: Cuando se tienen suelos altamente expansivos, con expansiones totales de más de 2.50 cms y presiones

de expansión mayores a las 25 t/m2, usualmente se prefiere el uso de sistemas de pisos elevados soportados sobre pilas coladas in situ, los cuales ayudan a aislar a las estructuras de la expansión directa del suelo y a mantener al suelo ventilado y protegido contra la lluvia, induciéndole un estado más seco al que tendría con una losa apoyada directamente sobre él a humedecerse.

Conclusiones 

Es recomendable realizar el ensayo de consolidación para suelos expansivos.



El usar pequeñas cantidades de cal (1% a 2%) de aditivos de calcio (cemento y cal) puede mejorar significativamente y capacidad de carga del suelo expansivo.



En el caso de compactación dinámica se debe hacer una segunda capa de grava

 Referencias bibliográficas. Braja M. das UMSS Bolivia Anexos

Diseño de cimentaciones en suelos susceptibles a humedecerse Si es probable que el estrato superior de suelo se humedezca y colapse algún tiempo después de la construcción de la cimentación, se pueden considerar varias técnicas de diseño para evitar la falla de la cimentación, como las siguientes: Compactación dinámica Si la profundidad de humedecimiento esperada es de 1.5 a 2 m desde la superficie del terreno, el suelo se puede humedecer y volver a compactar mediante rodillos pesados. Sobre el suelo compactado se pueden construir zapatas corridas o losas de cimentación. Una alternativa a la recompactación por rodillos pesados es el apisonado pesado, al que en ocasiones se le refiere como compactación dinámica. (Consulte el capítulo 14). El apisonado pesado consiste principalmente en dejar caer un peso pesado repetidamente sobre el suelo. La altura de la caída puede variar entre 8 a 30 m. Las ondas de esfuerzo generadas por la caída del peso ayudan a densificar el suelo. Lutenegger (1986) reportó el uso de la compactación dinámica para estabilizar un estrato grueso de loess friable antes de la construcción de una cimentación en Russe, Bulgaria. Durante la exploración de campo, no se detectó el nivel freático hasta una profundidad de 10 m y el contenido de humedad natural fue menor que el límite plástico. Mediciones iniciales de la densidad hechas en muestras inalteradas de suelo indicaron que el contenido de humedad a la saturación excedería el límite líquido, una propiedad usualmente encontrada en loess colapsable. Para la compactación dinámica del suelo, se excavaron los 1.7 m superiores de corteza. Como martillo se utilizó un peso circular de concreto de 133 kN. En cada punto de la red, la compactación se logró dejando caer el martillo 7 a 12 veces desde una distancia de 2.5 m. En la figura 13.7 se muestra el peso específico seco del suelo antes y después de la compactación. El incremento en el peso específico seco del suelo muestra que la compactación dinámica se puede emplear de manera efectiva para estabilizar un suelo colapsable.

Estabilización química Si las condiciones son favorables, las zanjas de la cimentación se pueden inundar con soluciones de silicato de sodio y cloruro de calcio para estabilizar el suelo químicamente. Entonces el suelo se comportará como una arenisca suave y resistirá el colapso al saturarse. Este método es eficaz sólo si las soluciones pueden penetrar hasta la profundidad deseada; así pues, se aplica mejor en depósitos de arena fina. Los silicatos son muy costosos y por lo general no se utilizan. Sin embargo, en algunas áreas de Denver, los silicatos se han utilizado con mucho éxito. La inyección de una solución de silicato de sodio para estabilizar depósitos de suelo colapsable se ha utilizado en gran medida en Rusia y Bulgaria (Houston y Houston, 1989). Este proceso, que se utiliza en suelos colapsables secos y en suelos colapsables húmedos que sean probables de comprimirse ante el peso agregado de la estructura que se construirá, consiste de tres pasos: Paso 1. Inyección de bióxido de carbono para remover cualquier agua presente y para la activación preliminar del suelo. Paso 2. Inyección de una lechada de silicato de sodio. Paso 3. Inyección de bióxido de carbono para neutralizar los álcalis.

Vibroflotación y embalse Cuando el estrato de suelo es susceptible a humedecerse hasta una profundidad de aproximadamente 10 m (< 30 pies), se pueden utilizar varias técnicas para ocasionar el colapso del suelo antes de que se inicie la construcción de la cimentación. Dos de estas técnicas son la vibroflotación y el embalse (también

denominado inundación). La vibroflotación se emplea con éxito en suelos con drenaje libre. (Consulte el capítulo 14). El embalse, mediante la construcción de diques de baja altura, se utiliza en emplazamientos que no tienen capas impermeables. Sin embargo, aun después de la saturación y el colapso del suelo por el embalse, puede ocurrir cierto asentamiento adicional del suelo después del inicio de la construcción de la cimentación. El asentamiento adicional también puede ser ocasionado por una saturación incompleta del suelo al momento de la construcción. El embalse se puede utilizar de manera eficaz en la construcción de presas de tierra.

Extensión de la cimentación más allá de la zona de humedecimiento Si no es práctico el precolapso del suelo, las cimentaciones se pueden extender más allá de la zona de humedecimiento posible, aunque la técnica puede requerir pilas perforadas y pilotes. En el diseño de pilas perforadas y pilotes se debe tomar en cuenta el efecto de la fricción superficial negativa resultante del colapso de la estructura del suelo y por el asentamiento asociado de la zona de humedecimiento subsecuente. En algunos casos, se puede considerar un tipo de cimentación con columna de roca (vibrorreemplazo). Las columnas de roca se construyen con grandes boleos que penetran el estrato de suelo colapsable. Éstas actúan como pilotes al transferir la carga hasta un estrato de suelo más estable.

Naturaleza general de los suelos expansivos. Muchas arcillas plásticas se hinchan considerablemente cuando se agrega agua y luego se contraen cuando pierden el agua. Las cimentaciones construidas sobre ese tipo de arcillas están sujetas a grandes fuerzas de levantamiento ocasionadas por la expansión.

Estas fuerzas inducen

levantamiento,

agrietamiento y el rompimiento tanto de las cimentaciones de edificios como de los elementos de una

Las grietas por contracción se pueden extender muy adentro de la zona activa. En la figura 13.12 se muestran grietas por contracción interconectadas que se extienden desde la superficie del terreno hacia la zona activa en una arcilla expansiva. Para estudiar la magnitud de la expansión posible en una arcilla, se pueden realizar pruebas simples de laboratorio con un oedómetro en muestra inalteradas. Dos pruebas comunes son la prueba de expansión sin restricciones y la prueba de presión de expansión. Las dos se describen en las secciones siguientes.

Prueba de expansión simple En la prueba de expansión simple, la muestra se coloca en un oedómetro ante una sobrecarga pequeña de aproximadamente 6.9 kNym2 (1 lbypie2). Luego se agrega agua a la muestra y se mide la expansión del volumen de la muestra (es decir, su altura; el área de la sección transversal es constante) hasta que se alcance el equilibrio. Entonces el porcentaje de expansión libre se puede expresar como la relación.

Donde:

Vijayvergiya y Ghazzaly (1973) analizaron varios resultados de prueba obtenidos de esta manera y elaboraron una gráfica de correlación de la expansión libre, el límite líquido y el contenido de humedad natural, como se muestra en la figura 13.13. O’Neill y Poormoayed (1980) desarrollaron una relación para calcular la expansión superficial libre a partir de esta gráfica:

Prueba de presión de expansión La presión de expansión se puede determinar por medio de dos tipos diferentes de pruebas. Estas son 

Prueba de consolidación convencional



Prueba a volumen constante

A continuación se describen brevemente los dos métodos. Prueba de consolidación convencional En este tipo de prueba, la muestra se coloca en un oedómetro ante una sobrecarga pequeña de aproximadamente 6.9 kNym2. Se agrega agua a la muestra, permitiéndole que se expanda y alcance una posición de equilibrio después de cierto tiempo. Luego, se agregan cargas en pasos convenientes y

se consolida la muestra. La gráfica de la deformación de la muestra (d) contra log s9 se muestra en la figura 13.14. La gráfica de d contra log s9 cruza la línea horizontal a través del punto de la condición original. La presión correspondiente al punto de intersección es la presión de expansión cero, s9 sw.

Prueba a volumen constante La prueba a volumen constante se realiza colocando una muestra en un anillo de consolidación y aplicando una presión igual a la presión de sobrecarga efectiva, s9 o, más la sobrecarga anticipada aproximada causada por la cimentación, s9 s. Luego se agrega agua a la muestra. A medida que la muestra empieza a expandirse, se aplica presión en incrementos pequeños para evitar la expansión. La presión se mantiene hasta que se desarrolle la presión de expansión sobre la muestra, momento en el cual la presión total es:

Donde: s9 sw 5 presión total aplicada para evitar la expansión, o presión de expansión cero s9 1 5 presión adicional aplicada para evitar la expansión después de la adición de agua En la figura 13.15 se muestra la variación del porcentaje de expansión con la presión efectiva durante una prueba de presión de expansión. (Para más

información sobre este tipo de prueba, consulte Sridharan y colaboradores, 1986).

Una presión s9 sw de 20 a 30 kNym2 se considera baja y una presión s9 sw de 1500 a 2000 kNym2 se considera alta. Después de que se alcanza la presión de expansión cero, la muestra se puede descargar en pasos hasta el nivel de la presión de sobrecarga efectiva, s9 o. El proceso de descarga ocasionará que la muestra se expanda. También se registra la expansión de equilibrio para cada nivel de presión. La variación de la expansión, sw en porcentaje y la presión aplicada sobre la muestra será como se muestra en la figura 13.15. La prueba a volumen constante se utiliza para determinar el levantamiento de la superficie, DS, para una cimentación (O’Neill y Poormoayed, 1980) según la fórmula.

donde Sw(1)(%) 5 expansión, en porcentaje, para el estrato i ante una presión de s9 o 1 s9 s (consulte la figura 13.15) DH i 5 espesor del estrato i Es importante destacar que es posible que la presión de expansión cero (s9 sw) obtenida de la prueba de consolidación convencional y de la prueba a volumen constante no sean iguales. En la tabla 13.4 se resumen algunos resultados de

pruebas de laboratorio de Sridharan y colaboradores (1986) para ilustrar este punto. Sridharan y colaboradores (1986) también demostraron que la presión de expansión cero es una función del peso específico seco del suelo, pero no del contenido natural de humedad (figura 13.16).