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• Marlon Anderson Torres Gomes

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07/09/2016

 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 cimentaciones extremadamente difícil, debido a que sus por sus características especiales pueden llegar a causar en las estructuras grandes movimientos diferenciales como consecuencia de excesivos asentamientos o levantamientos.

1 Suelos dispersivos. 1.1 Definición. Las arcillas dispersivas se caracterizan por presentar un elevado contenido de cationes de 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.

 Estas arcillas, debido a que sus partículas son relativamente pequeñas, son altamente erosionables sobre todo cuando se encuentran en presencia de agua.

 Es 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.

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1.2 Identificación de arcillas dispersivas.

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.

La presencia de arcillas dispersivas puede ser identificada por el afloramiento superficial de sales.

Erosión severa en la orilla norte del río.

 Análisis químico del extracto de poros (propuesto por Sherard et al.)  Método Estándar para las características de suelos arcillosos por doble hidrometría según ASTM D4221-90.

Orificios superficiales producto de la tubificación de la arcilla dispersiva.

1.3 Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja con arcillas dispersivas. Desde principios de los 60, el Servicio de Conservación del Suelo de EEUU, ha usado varios aditivos químicos con el propósito de mejorar el comportamiento de arcillas dispersivas.  Los principales aditivos químicos usados para este fin son: hidróxido de calcio, sulfato de calcio, sulfato de aluminio y mezclas de carbonato de calcio y/o carbonato de magnesio.

 La cantidad de aditivo químico utilizada es determinada realizando algunas modificaciones al ensayo de erosión interna.

 El aditivo con que se obtuvo mejores resultados es el hidróxido de calcio.

 Este ha sido mezclado con arcillas dispersivas con el objeto de reparar principalmente superficies expuestas que se hallaban muy erosionadas.

 El proceso de reparación y/o prevención consiste básicamente de excavar el suelo dañado; realizando a continuación el mezclado y curado respectivo del suelo. Finalmente se procede a la reposición del suelo excavado.

 Ensayo químico de fracciones de suelo (Crumb test propuesto por Emerson) según ASTM 6572.

2 Suelos colapsables. 2.1 Definición.  Se denominan también suelos metaestables, son suelos no saturados que sufren un gran cambio de volumen al saturarse; este radical cambio que sufre este tipo de suelos ante un humedecimiento, se lleva a cabo con o sin la intervención de una carga adicional.

 Se define como colapso al proceso rápido de disminución de volumen.

 Un suelo colapsable se encuentra en estado metaestable debido a que la empaquetadura de sus partes constituyentes es abierta, siendo esta la principal razón por la que, cuando ocurre al colapso se forma una empaquetadura cerrada de volumen considerablemente menor, como se observa en la Figura.

La causa más importante para el colapso es el decremento en la adhesión estructural que existe en los contactos entre elementos estructurales, cuando se lleva cabo el proceso de saturación.

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2.2 Identificación de suelos colapsables. Como características típicas, de la mayoría de suelos colapsables, las siguientes:  Estructura abierta  Alto índice de vacíos

Según información geológica y geomorfológica este tipo de suelos suele presentarse en regiones áridas donde se tiene la presencia de depósitos aluviales y coluviales. Existen también, relaciones cualitativas y semicuantitativas entre el potencial de colapso y los índices de propiedad del suelo.

 Baja densidad seca  Alta porosidad  Provienen de depósitos relativamente jóvenes o recientemente alterados.  Alta sensitividad y baja fuerza de enlace entre las partículas.

Para definir a priori si un suelo es o no colapsable, Houston et al (2001) proponen un método de identificación de suelos colapsables a partir de la clasificación de suelos.

Una vez que la posibilidad de un suelo colapsable ha sido detectada, los parámetros físicos de un suelo colapsable, pueden ser determinados a través de los siguientes métodos: a) Por medio de criterios expuestos por diferentes autores.

saturado LL

…………1

Sin embargo, para suelos saturados: Por su parte, Holtz & Hilf (1961) sugirieron que cuando un suelo loesial tiene un índice de vacíos después de la saturación, lo suficientemente grande como para exceder su límite líquido, entonces el suelo es susceptible al colapso. Luego, para el colapso:

e0Gs

…………………….II

Reemplazando [ I ] en [ II ], para suelos colapsables, se obtiene: e0  LL)Gs Luego, el peso unitario seco colapsable es:

d del suelo

Finalmente, la Figura 4.12 es la representación gráfica de la Tabla 4.4. Luego, para cualquier suelo, si la

combinación de d y LL cae debajo de la línea límite, el suelo está próximo a colapsar.

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b) A partir de ensayos de laboratorio. b.1) Ensayo del doble odómetro. Jennings & Knight (1956, 1975) . b.2) Ensayo para la medida del potencial de colapso de los suelos según ASTM D 5333-92 siguiendo el procedimiento propuesto por Jennings & Knight (1975). 2.3 Medidas de prevención y/o solución cuando se trabaja con suelos colapsables.  Estabilización de suelos es un  Cuando se establece la presencia de un término colectivo para cualquier suelo colapsable, el proceso de método físico, químico, biológico o estabilización debe ser realizado antes de una combinación de cualquiera de iniciar la construcción de la estructura, es ellos, empleados para mejorar ciertas decir, antes de iniciar la construcción de propiedades del suelo natural y así las fundaciones. Este proceso es llevado a adecuarlos a los propósitos de cabo para cualquier clase de fundación a ingeniería, (Winterkorn & Pamukeu utilizar. ,1991).

 Estabilización física.-

 Estabilización química.-

Es realizada mediante el uso de compactación dinámica. Consiste en excavar la capa superior del suelo, procediéndose luego a la compactación de este mediante el uso de un pisón. De esta manera se aumenta la densidad seca del suelo.

Se logra a través de la adición de cemento Pórtland al suelo, pudiendo también utilizarse cal, o materiales bituminosos. Sin embargo, se debe tener en cuenta, que en suelos con presencia de materia orgánica en un porcentaje mayor al 2%; la acción estabilizadora del cemento es neutralizada.

 La estabilización de suelos colapsables puede ser realizada mediante dos métodos que son:

3 Suelos expansivos. 3.1 Definición. Se denominan suelos expansivos a aquellos suelos, sobre todo los de grano fino (arcillas), que se expanden considerablemente cuando se adiciona agua y luego se contraen al perderla. Al referirse a suelos expansivos, uno debe pensar en arcillas o en rocas sedimentarias derivadas de arcillas, en las que los cambios de volumen se deben a un cambio en el contenido de humedad. En este aspecto, las arcillas son fundamentalmente diferentes a las gravas, arenas y limos. Las propiedades de estas últimas son fuertemente influenciadas tanto por el tamaño pequeño de las partículas como por la gran superficie de estas al igual que por sus inherentes cargas eléctricas. La expansión ocurre cuando el agua se infiltra en o entre las partículas de arcilla, causando la separación de éstas.

Existe otro tipo de fuerzas que influyen en el fenómeno de expansión. Estas son:  Tensión superficial en el menisco de agua ubicado entre las partículas.- Esta fuerza tiende a empujar las partículas juntas comprimiendo el suelo.  Presión osmótica.- Fuerza que tiende a atraer el agua y presionar las partículas expandiendo así el suelo.  Presión atrapada en los bulbos de aire.Fuerza que tiende a expandir el suelo.  Esfuerzos efectivos debidos a cargas externas.- Tienden a comprimir el suelo.  Fuerzas intermoleculares de London-Van Der Waals.- Tienden a comprimir el suelo.

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3.2 Identificación de suelos expansivos. La identificación de un suelo expansivo puede ser realizada por medio de gráficas, tablas o finalmente a través de la realización de ensayos de laboratorio. Todas estos se detallan a continuación: a) 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. a.1) La posibilidad de expansión de los suelos puede ser establecida a partir de la Figura 4.16, según Abduljauwad y Al- Sulaimani (1993).

b) A partir de tablas. La Tabla 4.8 presenta un resumen de distintos criterios utilizados para la clasificación de suelos expansivos. La Tabla 4.9 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.

a.2) 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, Fig. 4.17. Figura , Criterios comúnmente usados para determinar el potencial de expansión, según Abduljauwad y Al- Sulaimani, 1993 (Das, 1999).

c) A través de la realización de ensayos de laboratorio. c.1) Ensayo de expansión libre según ASTM D-4829. Este ensayo determina el índice de expansión del suelo compactado, cuando este ha sido inundado. El índice de expansión es una referencia para determinar el potencial de expansión del suelo. Este ensayo es realizado a partir de una muestra inalterada de suelo. c.2) Ensayo para la obtención del índice de expansión libre modificado para arcillas, según Sivapullaiah (1987). Este es un nuevo procedimiento que al parecer da mejores aproximaciones del potencial de expansión de suelos arcillosos.

c.3) Ensayo de expansión controlada según ASTM D 4546-96. Este ensayo es realizado sobre muestras de suelo inalteradas y 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: a) la expansión libre b) porcentaje de levantamiento debido a la aplicación de una carga vertical. c) Presión de expansión  Método B: Este método determina: a) 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. b) Presión de expansión.  Método C: Este método determina: a) Presión de expansión. b) Presión de preconsolidación. c) Porcentaje de levantamiento.

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3.3 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 tres posibles alternativas: tres 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, 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 45% 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.  Construir estructuras lo suficientemente flexibles para resistir el levantamiento diferencial del suelo sin fallar.

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