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SUELOS COLAPSABLES Y EXPANSIVOS SUELOS COLAPSABLES 1. INTRODUCCION 2. DEFINICION Y TIPOS DE SUELOS COLAPSABLE 3. DISEÑO DE CIMENTACIONES EN SUELOS NO SUCEPTIBLES A INCREMENTOS EN SU CONTENIDO DE AGUA 4. DISEÑO DE CIMENTACIONES EN SUELOS SUCEPTIBLES A INCREMENTOS EN SU CONTENIDO DE AGUA SUELOS EXPANSIVOS 1. NATURALEZA GENERAL DE LOS SUELOS EXPANSIVOS 2. CONSIDERACIONES DE CIMENTACION PARA SUELOS EXPANSIVOS 3. CONSTRUCCION SOBRE SUELOS EXPANSIVOS CIMENTACIONES SUELOS ESPECIALES INTRODUCCIÓN En muchos lugares, ciertos tipos de suelos hacen las fundaciones extremadamente difíciles. Por ejemplo los suelos expansivos o colapsables llegan a causar grandes movimientos diferenciales en las estructuras debido a un levantamiento o asentamiento. Los ingenieros deben ser capaces de identificar los suelos difíciles encontrados en el campo. Aunque no pueden resolverse todos los problemas causados por estos suelos, pueden tomarse medidas preventivas para reducir la posibilidad de daños en estructuras construidas sobre ellos. SUELOS COLAPSABLES DEFINICIÓN Y TIPOS DE SUELOS COLASABLES Los suelos colapsables son llamados también suelos metaestables, son suelos no saturados que sufren un gran cambio de volumen al saturarse. Este cambio puede o no ser causado por una carga adicional. Estos suelos presentan una serie de características comunes, tales como: - Estructura macroporosa, con índice de huecos (e), entre relativamente alto, a muy alto (< 2,0). - - Estructura mal acomodada, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por acumulaciones o "puentes" de material predominantemente arcilloso.. El comportamiento de estos suelos bajo carga puede explicarse por medio de la gráfica. La rama ab se determina sobre la prueba de compresibilidad en una muestra con su humedad natural. A la presión pw, la relación de equilibrio de vacíos es e1. Sin embargo si se introduce agua al espécimen hasta saturarlo, la estructura del suelo se colapsará. Después de la saturación, la relación de vacíos a la misma presión pw es e2; cd es la rama de la curva bajo carga adicional luego de la saturación. Las cimentaciones construidas sobre estos suelos llegan a sufrir grandes y repentinos asentamientos cuando el suelo bajo la cimentación se satura con humedad no anticipada, que puede provenir de varias fuentes como a) tuberías rotas de agua, b) drenajes con fugas, c) drenaje de depósitos, e) incremento lento del nivel freático, etc. Este tipo de asentamientos causa generalmente considerables daños estructurales.

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La mayoría de los suelos colapsables que se presentan en estado natural son eólicos, es decir arenas y/o limos depositados por el viento tales como loes, las dunas eólicas y los depósitos de polvo volcánico, los cuales tienen altas relaciones de vacíos, pesos específicos bajos y sin cohesión o ligeramente cohesivos.. Cuando el suelo se satura, la adhesión de la arcilla pierde su resistencia y por lo tanto sufre el colapso estructural.

DISEÑO DE FUNDACIONES EN SUELOS NO SUCEPTIBLES A HUMEDECERSE Para fines de diseño deben llevarse a cabo ensayos de carga de placa estándar en campo. Si se toman suficientes precauciones en campo para impedir que la humedad se incremente bajo las estructuras, pueden construirse cimentaciones corridas o losas sobre suelos potencialmente colapsables. Estas cimentaciones deben calcularse considerando que en ningún momento se superen los esfuerzos críticos. Deben utilizarse factores de seguridad no inferiores a 2,5 para calcular la presión admisible del suelo. Las cimentaciones continuas son más seguras que las cimentaciones aisladas sobre suelos colapsables, ya que minimizan efectivamente los asentamientos diferenciales. La figura muestra un procedimiento típico para la construcción de cimentaciones continuas, mediante zapatas corridas y contra trabes longitudinales.

DISEÑO DE CIMENTACIONES EN SUELOS SUSCEPTIBLES A LA HUMEDAD Si es probable que el estrato superior se humedezca y colapse algún tiempo después de la construcción de la cimentación deben considerarse diversos procedimientos: 1. Si la profundidad esperada de humedecimiento no supera de 1,5 a 2 m desde la superficie del terreno, el suelo debe ser humedecido y recompactado por medio de rodillos pesados. Luego pueden construirse zapatas corridas o losas sobre este suelo compactado. Puede utilizarse la compactación dinámica en este caso. 2. Si las condiciones son favorables, puede estabilizarse el suelo químicamente con soluciones de silicato de sodio o cloruro de calcio. Este método tiene éxito solo si las soluciones penetran a la profundidad deseada; este método es principalmente aplicable a depósitos de arena fina. 3. Cuando la posibilidad de humedecimiento se aproxima a los 10 m, pueden utilizarse varios procedimientos para ocasionar el colapso del suelo antes de la construcción de la cimentación. Algunos de ellos son la vibroflotación y el embalse. La vibroflotación puede usarse en suelos con drenaje libre. El embalse consiste en construir pequeños embalses en sitios que no tienen capas impermeables. 4. Si el precolapso no se considera práctico, las cimentaciones deberán extenderse más allá de la zona de posible humedecimiento, requiriéndose pilotes o pilas perforadas. No debe olvidarse en su cálculo la consideración de la fricción negativa que genera el colapso de este tipo de suelos. Pág 2 de 5

SUELOS EXPANSIVOS GENERALIDADES Bajo este nombre se incluyen aquellos suelos arcillosos cuya estructura mineralógica y fábrica les permite absorber agua con un cambio de volumen importante. Muchas arcillas plásticas se expanden considerablemente cuando se agrega agua y luego se contraen al perder agua. Las cimentaciones construidas sobre estas arcillas se encuentran sometidas a grandes fuerzas de levantamiento causados por la expansión. Estas fuerzas provocan levantamientos, grietas y roturas de las fundaciones y losas. En general las arcillas potencialmente expansivas tienen límites líquidos e índices de plasticidad mayores a aproximadamente 40 y 15 respectivamente. El cambio de volumen (expansividad y retracción) está condicionado por los siguientes factores (además de los geológicos): - Las variaciones climáticas, ya que de éstas depende la presencia de agua necesaria para producir la expansión o la evaporación del agua para inducir la retracción. - La vegetación, que puede cambiar localmente el contenido de humedad del terreno y dar lugar a los cambios de volumen consiguientes. La vegetación y las raíces pueden ser agentes desencadenantes del fenómeno. - Los cambios hidrológicos generales producidos tanto por las acciones climatológicas, como por las variaciones de nivel freático debidos a la explotación de acuíferos, construcción de embalses, etc. A la profundidad del suelo en la cual se producen estas expansiones ante los cambios de humedad se denomina zona activa. Esta profundidad varía según los lugares, entre 1,5 a 15 m. La profundidad de la zona activa se determina trazando un gráfico porcentaje de humedad vs profundidad del perfil del suelo a través de varias estaciones del año. CONSIDERACIONES DE CIMENTACIÓN PARA SUELOS EXPANSIVOS Si el suelo tiene bajo potencial de expansión, deben seguirse los procedimientos estándares de construcción. Sin embargo, si el suelo posee un potencial de expansión alto, deben tomarse precauciones que implican: 1: Reemplazar el suelo expansivo bajo la cimentación. 2: Cambiar la naturaleza del suelo expansivo mediante compactación controlada; prehumedecimiento, instalación de barreras de agua y/o estabilización química. 3: Reforzar las estructuras para resistir al levantamiento, construir estructuras que sean suficientemente flexibles para resistir el levantamiento diferencial del suelo sin fallar, o construir cimentaciones profundas aisladas debajo de la profundidad de la zona activa. Reemplazo de un suelo expansivo. Cuando se presenten suelos con expansibilidad moderada poco profundos, éstos serán retirados y reemplazados por suelos menos expansivos y compactarlos adecuadamente. Cambio de la naturaleza de un suelo expansivo 1. Compactación: el levantamiento de los suelos expansivos disminuye considerablemente cuando el suelo se compacta a un peso específico inferior sobre el lado húmedo del óptimo de compactación (posiblemente 3 a 4 % arriba) 2. Pre-humedecimiento: Un procedimiento para incrementar el contenido de humedad del suelo es mediante embalse, con lo cual se logra la mayor parte del levantamiento antes de

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la construcción. El procedimiento es muy lento Luego del embalse se agrega 4 a 5% de cal hidratada a la capa superior del suelo para hacerla menos plástica y más trabajable. 3. Instalación de barreras de agua: el efecto a largo plazo del levantamiento diferencial se reduce controlando la variación de agua en el suelo. Esto se logra construyendo barreras verticales de aproximadamente 1,5 m de profundidad alrededor del perímetro de las losas de cimentación. 4. Estabilización de suelo: la estabilización química con ayuda de cal y cemento han tenido éxito a menudo. En la mayoría de los casos es suficiente una mezcla que contenga aproximadamente un 5% de cal. Este tipo de estabilización se hace hasta una profundidad de 1 a 1,5 m. Otro método de estabilización de los suelos expansivos es la inyección a presión de una lechada de cal o cal y ceniza volante, usualmente hasta una profundidad de 4 a 5 m. CONSTRUCCIÓN SOBRE SUELOS EXPANSIVOS Debe tenerse cuidado al escoger el tipo de cimentación por usar sobre suelos expansivos. La tabla muestra algunos de los procedimientos recomendados basados en el levantamiento vertical predicho y la razón longitud altura de los paneles del muro.

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Por ejemplo, la tabla propone el uso de losas nervuradas o reticuladas como alternativa al diseñar edificios rígidos capaces de tolerar movimiento. En este caso, las nervaduras soportan la carga estructural. Los espacios entre nervaduras permiten la expansión del suelo. La tabla también recomienda el uso de cimentaciones con pilas y losa de piso suspendida para la construcción de estructuras independientes del movimiento. La base de la pila debe colocarse debajo de la zona activa del suelo expansivo

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