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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO ESCUELA PROFERSIONAL DE INGENIERIA CIVIL

SUELOS POTENCIALMENTE INESTABLES, COLAPSABLES Y EXPANSIVOS ASIGNATURA: CIMENTACIONES ESPECIALES

PUNO 2017

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INDICE I. INTRODUCCIÓN CAP I: SUELOS DISPERSIVOS 1 INTRODUCCIÓN 2 DEFINICION 3 IDENTIFICACION DE SUELOS DISPERSIVOS 4 PRINCIPALES PROBLEMAS QUE PRESENTAN. 5 TÉCNICAS DE IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS DISPERSIVOS 5.1 ENSAYOS QUÍMICOS 5.2 ENSAYOS FÍSICOS 6 COSECUENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN SOBRE SUELOS SALINOS 7 SOLUCIONES PARA DIVERSOS PROBLEMAS CON SUELOS DISPERSIVOS 8 PREVENCION DE FALLAS EN LAS PRESAS POR TUBIFICACIÓN CAP II: SUELOS COLAPSABLES 1 INTRODUCCION 2 DEFINICION 3 MECANISMO DEL COLAPSO 3.1

SUELOS AUTOCOLAPSABLES Y POTENCIALMENTE COLAPSABLE

4 ENSAYOS PARA LA DETERMINACION DEL POTENCIAL DE COLAPSO. 4.1 MÉTODO PARA MUESTRAS INALTERADAS 4.2 MÉTODO PARA MUESTRAS ALTERADAS 4.3 MÉTODO IN SITU 5. SOLUCIONES INGENIERILES EN SUELOS COLAPSABLES 5.1. CONSIDERACIONES GENERALES 5.2

METODOS DE SOLUCION INGENIERILES

CAP III: SUELOS EXPANSIBLES 1 INTRODUCCION 2 CONCEPTO 3. CAUSAS 3.1. PARTICULAS DE ARCILLAS 3.2. AFINIDAD CON EL AGUA 4. RECONOCIMIENTO DE SUELOS EXPANSIVOS 4.1. RECONOCIMIENTO VISUAL 5. IDENTIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS 5.1. POR SU MINERALOGIA 5.2. ENSAYO DE RESISTENCIA EN SECO 5.3. LABORATORIO

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5.3.1. MÉTODOS INDIRECTOS 6. LOS PRINCIPALES INVESTIGADORES 7. CONFERENCIAS INTERNACIONALES SOBRE SUELOS EXPANSIVOS 8. PROBLEMAS PRESENTADOS POR ESTOS SUELOS 9. INFORMACION DE SUELOS EXPANSIBLES 10 .FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL FENÓMENO DE LA EXPANSIÓN 11. EFECTOS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS 12. PREVENCIÓN DE DAÑOS 13. SOLUCIONES INGENIERILES 13.1 GENERALIDADES 13.2· “PREHUMECTACIÓN” DEL SUELO: 13.3 REDUCCIÓN DE LA DENSIDAD DEL SUELO: 13.4 SUSTITUCIÓN DEL SUELO EXPANSIVO: 13.5 MODIFICACIÓN DE PROPIEDADES EXPANSIVAS DEL SUELO POR DIVERSOS PROCEDIMIENTOS: 13.6 AISLACIÓN DEL SUELO DE VARIACIONES IMPORTANTES EN EL CONTENIDO DE HUMEDAD: IV. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES V BIBLIOGRAFIA

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I. INTRODUCCIÓN

La incidencia del comportamiento de los materiales expansivos en los daños experimentados por las estructuras no fue identificada por los especialistas en el estudio de suelos y fundaciones como una de las causas fundamentales de esos daños, prácticamente hasta fines de 1930. A partir de allí se comienza a reconocer que muchas de las patologías de las estructuras, que eran atribuidas a asentamientos del suelo u otros problemas, se debían en realidad a un fenómeno de hinchamiento el tema ha interesado en forma creciente a los especialistas en suelos y construcciones. Se estima que las pérdidas anuales a nivel mundial por daños en las construcciones sobre los suelos expansivos superan los dos billones de dólares. El interés en estos suelos ha llevado a la constitución, dentro de la Sociedad Internacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Fundaciones de un Comité Técnico para suelos expansivos, con la finalidad de impulsar estudios específicos en esta área, así como a la realización periódica de conferencias internacionales sobre la problemática de los suelos expansivos. En nuestro país el tema ha merecido permanentemente la preocupación de ingenieros ya que muchos daños causados en obras de arquitectura (sobretodo en viviendas económicas, que son las más afectadas por este fenómeno) y de ingeniería civil (carreteras, canalizaciones, etc.), se sospecha que han sido originadas en problemas de expansión de suelos en los que se apoyan.

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CAP I: SUELOS DISPERSIVOS 1 INTRODUCCION Antiguamente, los suelos arcillosos eran considerados altamente resistentes a la erosión debido al fluir el agua, sin embargo, esta creencia es errada debido a que eso no sucede con todas las arcillas, de hecho, existen arcillas que son altamente erosionables, como los son las arcillas dispersivas. El tipo de suelo conformado por arcilla dispersiva fue conocido primero por los ingenieros agrónomos hace más de 100 años, y su naturaleza fundamental fue bien entendida por los científicos de suelos e ingenieros agricultores hace casi 50 años. La importancia del tema en la práctica de la Ingeniería Civil ha sido reconocida aproximadamente desde 1940, pero no fue ampliamente apreciada sino hasta comienzos de 1960. Se inicia en Australia cuando, se investiga las fallas de socavación en presas de tierra y se observa el comportamiento de la arcilla dispersiva en presas pequeñas de arcilla. Desde este tiempo, muchas investigaciones han sido ejecutadas a fin de mejorar los procedimientos para identificar a las arcillas dispersivas. 2 DEFINICION Los suelos dispersivos son aquellos suelos que, por la naturaleza de su mineralogía y la química del agua en ellos, son susceptibles a la separación de las partículas individuales y a la posterior erosión a través de grietas en el suelo bajo la infiltración de agua. Son suelos altamente erosivos a bajos gradientes hidráulicos de flujo de agua. Incluso en algunos casos con el agua en reposo. Ciertos suelos de granos finos son estructuralmente inestables en contacto con agua, en él las partículas finas de arcillas, fácilmente se dispersan y entran en suspensión y migran con el movimiento el agua de contacto. A estos suelos de los denomina “Suelos Dispersivos” Los suelos dispersivos son aquellos que por la naturaleza de su mineralogía (donde existe una preeminencia de cationes de sodio) son susceptibles a la defloculación (dispersión) y se rechazan en la presencia del agua así posea poco o nada de velocidad hidráulica. Cuando el suelo de arcilla dispersiva es sumergido en agua, la fracción de arcilla tiende a comportarse de manera semejante a las partículas granulares, es decir las partículas de arcilla tienen una atracción mínima de electro-química y fallan hasta adherirse cercanamente o enlazarse con otras partículas de suelo. Así, el suelo de arcilla dispersiva erosiona con la presencia del agua que fluye cuando las plaquetas individuales de la arcilla son partidas y transportadas. Tal erosión puede suceder por la presencia de quebradas profundas o fallas por tubificación en pequeñas

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presas, la presencia de aguas nubladas en presas pequeñas o en charcos de agua luego de la lluvia, por mencionar los casos más comunes. También es visible en las grietas de los caminos y a lo largo de las quebradas y en las arcillas unidas a la roca. 3 IDENTIFICACION DE SUELOS DISPERSIVOS La identificación de los suelos dispersivos debería comenzar con el reconocimiento en campo para determinar si existe alguna indicación en la superficie, como erosiones en forma de túneles y hondonadas profundas, junto con cualquier depósito de agua. Aunque la falta de tal evidencia no excluye la presencia de arcillas dispersivas en la profundidad, y se debería proceder con exploraciones adicionales. Los suelos dispersivos también pueden determinarse por el comportamiento de los suelos. Por ejemplo: -

La presencia de quebradas profundas y fallas por tubificación en pequeñas presas, habitualmente indican la presencia de suelos dispersivos.

Fig. 1. falla por tubificación en una presa debido a la presencia de suelos dispersivos

-

Fig. 2. Erosión profunda por tubificación en suelos dispersivos

La erosión en grietas de los caminos, la erosión tipo túnel a lo largo de las líneas de quebradas y la erosión de intemperización o arcillas unidas en roca pueden señalar suelos potencialmente dispersivos.

Fig. 3. Falla provocada por la filtración del agua de una laguna en suelos dispersivos en Orlando, Florida

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La presencia de agua nublada en presas pequeñas y charcos de agua después de la lluvia indica suelos dispersivos. Se puede deducir la mineralogía de la arcilla a partir de tales técnicas de observación. La geología del área también puede ser una guía de la dispersividad. Sherard & Decker (1977) señalan que: -

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-

Muchas arcillas dispersivas son de origen aluvial. Algunas arcillas de las laderas de lechos de río son también dispersivas. Algunos suelos derivados de la lutita y la arcillita bajo un medio marítimo son también dispersivos. Los suelos derivados de la intemperización de las rocas ígneas y metamórficas son casi todos no dispersivos, pero pueden ser erosionables, (por ejemplo, la arena limosa derivada de la granodiorita). Suelos con un alto contenido orgánico probablemente no son dispersivos (esto necesita ser tratado con cautela, desde que muchos suelos tipo "algodón negro" son dispersivos). Las áreas de producción con poca cosecha y el crecimiento mal desarrollado también pueden indicar suelos altamente salinos, muchos de los cuales son dispersivos. Sin embargo, los suelos dispersivos pueden también presentarse en suelos neutrales o en suelos ácidos y pueden apoyar al crecimiento frondoso del césped.

4 PRINCIPALES PROBLEMAS QUE PRESENTAN. Al efectuar una exploración de campo con la finalidad de explotar un banco de materiales en las zonas áridas o semiáridas, es necesario realizar una visita al sitio para recuperar indicios de que el suelo del lugar es dispersivo, así como la existencia de erosión y la presencia de arroyos próximos entre sí. También se requiere el testimonio de los moradores de la zona, para saber si el agua se torna turbia al estar en contacto con el suelo.

Fig. 4. Erosión de un terraplén carretero (tomada del Technical Reference Manual of dispersive soils and their administration, 2009)

Fig. 5. Efecto de la erosión sobre el talud de un almacén de agua construido sobre suelo dispersivo (tomada del Technical Reference Manual of dispersive soils and their administration, 2009)

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La tendencia de un suelo a erosionarse por dispersión, depende de variables como la mineralogía y química de las arcillas, así como de las sales disueltas en el agua de poro y del agua de erosión Sherard and Decker, 1977 (citado por Knodel, 1991).

5 TÉCNICAS DE IDENTIFICACIÓN DE LOS SUELOS DISPERSIVOS a. ENSAYOS QUÍMICOS Desde 1960 fue identificado en Australia, el Porcentaje de Sodio Intercambiable (ESP) como un factor que contribuye al comportamiento dispersivo de las arcillas (Aitchison and Wood, 1965; Ingles and Wood, 1964a; Rallings, 1966) cuyo parámetro básico es el ESP (Exchangeable Sodium Persentage). ESP  

Exchangeable sodium  100 CEC Catione Exchange Capacity

Na   100 Na   Mg 2   K   Ca 2 

Ec 1

Los suelos con un ESP ≥ 10 que presentan lixiviados o contienen sales, se clasifican como dispersivos. Los criterios para clasificar los suelos dispersivos en base al ESP son los que se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Criterios para clasificar los suelos dispersivos de acuerdo con el ESP. ESP Grado de dispersión 10 Dispersivo

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Otro parámetro comúnmente utilizado para evaluar la dispersión provocada por el sodio presente en las sales disueltas en el agua de poro es el SAR (Sodio Absortion Ration). SAR 

Na

0.5Ca  Mg 0.5

con unidades de meq / L

El método del SAR es aplicable si no hay presencia de sal libre. El uso del SAR está basado en el hecho de que el suelo en la naturaleza se encuentra en equilibrio con su ambiente. Existe una relación entre la concentración electrolítica del agua de poro del suelo y los iones intercambiables en la capa absorbida de la arcilla. Investigadores australianos demostraron que todos los suelos son dispersivos si su SAR es > 2. Lo anterior muestra concordancia en suelos con el TDS (Total Disolved Salts) entre 0.5 y 3 meq/L pero no para suelos que queden fuera de este rango, ver figura 6. El método actual para evaluar la influencia química en el comportamiento dispersivo del suelo, en los U. S. es el que se presenta en la figura 8.

Figura 8 Carta del U. S. Department of Agriculture Publication (tomada de Knodel, 1991)

Percent Sodium 

Na100  TDS

donde TDS  Na  Ca  Mg  K

Sus unidades se dan en meq/L Para obtener el extracto de saturación, el suelo se mezcla con agua destilada hasta obtener una pasta de suelo saturada con su contenido de agua cercano a su Límite Líquido. La pasta se deja reposar hasta que se equilibra la humedad en las sales del agua de poro y los cationes de intercambio (CEC). El agua de

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poro extraída de esta pasta es ensayada para determinar la cantidad de cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio, en miliequivalentes por litro (meq/L). De aquí se determina el porcentaje de sodio (Percent Sodium) y el TDS (Total Dissolvant Salts) siguiendo el procedimiento establecido por el U. S. Department of Agriculture Publication.

Figura 9. Potencial dispersivo vs TDS (tomada de Knodel, 1991) La carta de la figura 9 ha dado buenos resultados en los Estados Unidos, sin embargo, presenta discrepancias con los resultados obtenidos mediante el ensayo Pinhole para algunos suelos investigados, Craft and Acciardi, 1984. No obstante, el uso de esta carta ha sido satisfactoria en donde hay concordancia con los resultados obtenidos mediante el ensayo Pinhole. El procedimiento desarrollado para evaluar efecto de la sal disuelta en el agua de poro con potencial dispersivo se muestra en la figura 8, según Elges, 1985. b. ENSAYOS FÍSICOS i. EL ENSAYO DE CRUMB El ensayo de Emerson Crumb (Emerson, 1967) fue desarrollado como un procedimiento simple para identificar el comportamiento dispersivo en campo, pero ahora es muy frecuente usado en el Laboratorio. Entrega una buena indicación del potencial de erodibilidad de los suelos de arcillas; sin embargo un suelo dispersivo puede a veces dar una reacción no dispersiva en el ensayo de Crumb. Si el ensayo de Crumb señala dispersión, lo más probable es que el suelo sea dispersivo. El ensayo consiste en colocar una muestra de suelo en agua, observando la dispersión como el grado de nubosidad del agua, para luego clasificarlo de la siguiente manera:

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Grado 1: Ninguna reacción Grado 2: Reacción ligera Grado 3: Reacción moderada Grado 4: Reacción fuerte

fig. 10: muestras del ensayo ii.

EL ENSAYO DEL DOBLE HIDRÓMETRO

fig. 11: muestras del ensayo Este ensayo implica dos ensayos del Hidrómetro en suelos tamizados a través del tamiz de 2.36 mm. Los ensayos del Hidrómetro son conducidos con y sin dispersante. La dispersión en porcentaje es:

𝐴 𝐵

𝑋 100

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Donde A = porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo sin dispersante. B = porcentaje de suelos más finos que 0.005 mm para el ensayo con dispersante. La interpretación del porcentaje de dispersión es la siguiente: Mayor que 30% es no dispersivo Entre 30% a 50% es intermedio Mayor al 50% es dispersivo iii. EL ENSAYO DE PINHOLE La clasificación de dispersión de Pinhole, conocido también como el Ensayo de Pinhole, o el ensayo de Pinhole Sherard según Normas de la Asociación de Australia, 1980.

Este ensayo fue desarrollado por Sherard en 1976. Consiste en perforar un hueco de 1.0 mm de diámetro en el suelo a ser ensayado, y a través del agujero se pasa agua bajo diferentes cargas y duraciones variables. El suelo es tamizado a través del tamiz de 2.36 mm y compactado aproximadamente en el límite plástico a una proporción de densidad del 95 % (las condiciones a simular en un terraplén de presa con una fisura o agujero en el suelo).

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El ensayo de Pinhole; la muestra de la izquierda se trata de un suelo dispersivo 6 COSECUENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN SOBRE SUELOS SALINOS Es conocido que la acumulación de cationes dispersantes como el sodio en la solución del suelo, afecta negativamente algunas propiedades físicas del mismo, tales como la estabilidad estructural, la conductividad hidráulica y la tasa de infiltración, causando una reducción de su capacidad productiva y estabilizante En las represas ocurren fallas por tubificaciòn debidas a suelos dispersivos, se presentan en el cuerpo de la presa: en sus paramentos, en contactos con la fundación o con los conductos. Hay muy pocos casos por debajo de sus cimientos. Aún el mismo peso de la presa puede cerrar las incipientes. Al parecer las aguas subterráneas con altos contenidos de sales impiden el lavado de los iones sodio en las arcillas dispersivas, y el reemplazo gradual por aguas más limpias procedentes del reservorio permite que los suelos disminuyan su contenido de sodio en el agua de poro. 7 SOLUCIONES PARA DIVERSOS PROBLEMAS CON SUELOS DISPERSIVOS A continuación se mencionarán las diversas soluciones para mitificar el problema de los suelos dispersivos para la construcción y la agricultura. -

Este tipo de suelos padece una destrucción de su estructura, y por tanto al disminuir su porosidad, utilizar el lavado para su corrección no es muy aconsejable, debido a la deficiencia de su drenaje. La recuperación, por tanto, tiene que ser abordada mediante la eliminación de sodio de cambio (rebajar el pH) aplicando yeso, cal viva, entre otros productos, que reaccionarían con el carbonato sódico, formando carbonato cálcico y sulfato sódico (álcali blanco). Es necesario implantar cultivos, a ser posible de regadío y resistentes a las sales, así como la incorporación de enmiendas orgánicas. La enmienda con yeso representa una alternativa adecuada para corregir problemas de suelos dispersivos. La adición de yeso, mediante la disminución del Na (Sodio) intercambiable, produce una recuperación en las condiciones

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físicas del suelo, repercutiendo en un incremento de la productividad de forraje y posibilitando una mejor utilización del fertilizante por parte del cultivo.

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En la agricultura la solución más factible es hacer cruzamientos con plantas tolerantes a la salinidad o utilizar el pasto vetiver para estabilizar las zonas dispersivas en conjunción con unas obras menores y la siembra de pastos estolonìferos entre filas de pasto vetiver. Las barreras de pasto vetiver se siembran en ángulos rectos al flujo del agua y a lo largo de la curva de nivel extendiéndose a la profundidad máxima del flujo del agua en la hondonada para detener el impacto que tendría el agua que fluyese alrededor de los extremos. Debe tenerse en cuenta que la profundidad del flujo aumentaría en la hondonada con barreras de pasto vetiver debido al retardamiento ocasionado por el fluir del agua a través del pasto vetiver. Asimismo, en la agricultura, se utilizan fertilizantes de bajo contenido sòdico y mayor contenido de calcio a fin de abonar el suelo y reducir su salinidad. Si el agua de riego es de baja calidad, se recomienda utilizar bajas dosis de fertilizante pero aplicarlo frecuentemente. Cuando se ha identificado la extensión y la profundidad de la zona dispersiva se puede proceder a la remociòn del suelo erosionable, siempre que este procedimiento sea económicamente factible. Para las carreteras se utiliza una combinación de drenajes, subdrenajes, pavimentos impermeables y reglamentos para el uso de agua con el fin de crear una restricción severa del humedecimiento.

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En un terraplén debidamente gradado se puede realizar un "recubrimiento impermeable" este recubrimiento se realiza colocando una capa doble geotextil impermeable debajo, y geotextil no tejido encima.

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En las laderas con una pendiente 20%---------------------------------- el suelo es expansivo

5.2.4. PRUEBAS DE CONTRACCIÓN VOLUMÉNTRICA 32

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V1=a3 V2=b3 Consiste en elaborar un cubo de arcilla de unos 5cm de lado, el cual será secado al sol, para posteriormente tomar las medidas y hacer el siguiente calculo:

Si VC > 15%---------------------------------- el suelo es expansivo 5.3. LABORATORIO 5.3.1. MÉTODOS INDIRECTOS 5.3.1.1.LÍMITE LÍQUIDO a. CUCHARA CASAGRANDE El límite líquido es el contenido de agua, expresado en porcentaje respecto al peso del suelo seco, que delimita la transición entre el estado líquido y plástico de un suelo remoldeado o amasado. En las imágenes a continuación podemos observar un esquema hipotético del estado de un suelo antes y después del ensayo de Límites de Atterberg

FIGURA8: EQUIPO PARA LIMITE LIQUIDO

b. ENSAYOS DE PENETRACIÓN 33

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En la prueba de penetrómetro, el límite líquido del suelo es el contenido de humedad a la que un cono de 60 gramos de peso con un ángulo de punta de 60°, se sumerge exactamente 10 a 20 mm (según el estándar utilizado) en una taza de suelos remoldeados en un período de 5 segundos. A este contenido de humedad el suelo es muy blando.

FIGURA 10: ENSAYO DE PENETRACION c. CONO INDU d. CONO RUSO Inicialmente se usó la aguja de Vicat y conos estrechos. Aparentemente esos ensayos no proveían resultados satisfactorios. El primer ensayo estandarizado fue el mencionado por Vasilev en 1949, donde el aparato empleado es el mostrado en la Fig.6, y en el que una penetración de 10 mm indica el límite líquido.

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FIGURA 11: CONO RUSO LL>50---------------------Suelo altamente

SI expansivo 3520---------------------Suelo expansivo LL 15---------------------Suelo no expansivo 5.3.2. MÉTODOS DIRECTOS 5.3.2.1.

ENSAYO FST (FREE SWELL TEST)

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10cm3 que pase la malla #40 FIGURA 12: ENSAYO DE EXPANSION

Si > 50% -------------------- suelo expansivo 5.3.2.2. ENSAYO DE LAMBE Ensayo hecho con suelo compactado que pasa la malla # 10 MUESTRA N° DE CAPAS GOLPES Seca 3 7 Húmeda 3 4 L.P. 1 5 Aplicar σ = 0.1kg/cm2 Inundar Luego de 2 horas---------- lectura de carga = σexp

Energía Kg-cm/cm 27.2 13.6 6

σexp = índice de expansibidad NOTA:Solo se puede correr el ensayo en el equipo con la patente de lambe 5.3.2.3. ENSAYO DE EXPANSIÓN NO CONTROLADA Se aplica una carga constante σV=0.07-0.1 kg/cm2 saturar y medir la expansión ∆H ∆Hmax

t

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Muestra inalterada

FIGURA13: ENSAYO DEEXPANSION NO CONTROLADA 5.3.2.4.

ENSAYO DE EXPANSIÓN CONTROLADA

Mismo procedimiento Elegimos ∆Hmax 1. 1%H 2. 5%H 3. 10%H 4. 15%H Incrementar la carga para cada variación de la altura Hasta que ya no se produzca expansión 6. LOS PRINCIPALES INVESTIGADORES Lambe Whitman (1959) Fu H. Chen (1975) Brackley (1975) Ya son casi 90 años desde el esmerado estudio de estos suelos. 7. CONFERENCIAS INTERNACIONALES SOBRE SUELOS EXPANSIVOS FORMULAS EMPIRICAS Woodward y Lundgren (11) utilizaron solamente el índice plástico para predecir el porcentaje de expansión Ranganatham y Satyanarayana (1965)

Nayak y Christensen (1971

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Esta ecuación fue derivada del análisis de los datos de prueba a partir de 18 muestras artificiales del suelo condensadas en el contenido de agua óptimo por el método estándar de procurador y permitidas hincharse bajo carga de la sobrecarga de 1 PSI

Ecuación de Vijayvergiya y de Ghazzaly (1973) basada en contenido de humedad

Ecuacion de de Schneider y Poor

Esta ecuación fue desarrollada de resultados de la prueba del endometro en la arcilla negra residual condensada (Onderstepoort, Suráfrica). Muestras bajo sobrecarga de 1kPa

Ecuacion de Chen (1975)

Ecuacion de Weton (1980)

Errores de: -10% 8. PROBLEMAS PRESENTADOS POR ESTOS SUELOS Con la disminución de la capacidad de infiltración del suelo, aumenta el caudal de descarga, disminuye el tiempo de concentración de las aguas y reduce el tiempo de respuesta. Con la disminución de la capacidad de infiltración del suelo, aumenta el caudal de descarga, disminuye el tiempo de concentración de las aguas y reduce el tiempo de respuesta.

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OBSERVACION EXISTENTES

DE

ESTRUCTURAS

Los suelos que tienen arcillas expansivas tienen consistencia pegajosa al ser mojados y se caracterizan por que cuando son secados muestran grietas superficiales y una textura de “pop corn”

FIGURA14:GRIETAS EN SUELOS SECOS En calzadas, aceras y calles de losas de concreto, observar si los empalmes están al mismo nivel. Observar si la superficie esta ondulada

FIGURA15: ONDULACIONES EN EL SUELO. Observar la presencia de grietas diagonales de las paredes exteriores.

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FIG 16: GRIIETAS ESTRCUTUTEAL POSIBLES POR ASENTAMIENTOS Observar las grietas en las puertas y ventanas. Observar el levantamiento del piso en el interior de las viviendas 

FIG17 ELEVACION DIFERENCIAL DEL PISO Levantamiento en veredas Desplazamiento de cercos Cercos desplazados Asentamientos diferenciales en la sub rasante de un camino, formada por arcillas expansivas. 9. INFORMACION DE SUELOS EXPANSIBLES Canadá, Cuba, Israel, España, etc. En Latinoamérica: Argentina, México, Venezuela, Colombia, Perú, así también en menores rangos en otros países.

EN EL PERÚ 40

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FIG 18: ZONAS CON MAYOR PROBLEMA DE SUELOS EXPANSIVOS 10. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL FENÓMENO DE LA EXPANSIÓN 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 resulta fundamental en cuanto al potencial expansivo del suelo. Los suelos expansivos por excelencia son aquellos que tienen altos porcentajes de montmorillonita. Humedad inicial Elelemento “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 41

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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”. 1.7 > ϒd > 1.6 ϒd > 1.8 (peligroso) 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 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. Estado tensorial Los suelos se expanden más a bajas presiones Obras ligeras Cimientos poco profundos Estructura del suelo -

Castillo de naipes--------no expansiva Panadoides ---------------no expansiva floculada -------------------no expansiva Cementación

Reduce la expansión Tiempo Los procesos de expansión pueden ser muy lentos Coeficiente de permeabilidad (K) muy baja---puede durar meses y años Líquidos intersticiales Potasio , sodio, metales y acido-----------soluciones ionicas (mas expansivos) 42

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Magnesio y calcio----------------------------soluciones alcalinas (menos expansivos) Humedad Suelo seco--------más expansivo Suelo saturado---menos expansivo Otros Estratigrafía Una capa profunda ya no expande Accesibilidad de agua La capa expansiva aislada del agua es menos peligrosa clima Las zonas de clima seco son más peligrosos 11. EFECTOS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS

1.

En cimentaciones

2. En edificaciones pequeñas

Evaporación

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FIG19: GRIETAS ESTRUCTURALES POR VARIACION DE HUMEDAD 3. Comportamiento de losas sobre el terreno Estiaje ½ estación lluviosa

½ estación seca

½ estación lluviosa

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Grietas verticales e inclinadas en ambos sentidos

Falla por expansión de suelos en el ce

FIG 21: GRIETAS VERTICALES EN EDIFICACIONES

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Centro de salud de san Antonio - Moquegua - Curvatura del cimiento

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XII.

Inclinación en muros perimetrales

F I G 2 2 : Rotura de pilotes por fricción Grietas en sótanos Rotura de pavimentos y veredas Rotura de veredas circundantes Agrietamiento próximo de los montantes de agua pluviales Rotura de instalaciones entre edificio y calle PREVENCIÓN DE DAÑOS

1) Incrementar profundidad de apoyo - Profundizar la zapata (rediseño estructural) A mayor capacidad de carga < área de contacto (BxL) - Hacer una sub-zapata o falsa zapata con concreto coclopeo, por debajo de la zona activa - Utilizar pilotes (hincados o insitu)

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Limite zona activa - No apoyar losas ni muretes en el piso---construir en el aire

FIG23: PROTECCION CONTRA LA HUMEDAD 13.

SOLUCIONES INGENIERILES

13.1 GENERALIDADES Ante la presencia de un suelo potencialmente expansivo, las dos grandes líneas de acción serían: Actuar en el sentido de reducir o eliminar la expansión del suelo. En líneas generales se actúa en el sentido de rigidizar o flexibilizar de tal forma la estructura que sea capaz de absorber o adaptarse a las deformaciones resultantes. En el diseño del cimiento se tiende a una concentración de cargas de manera que la presión trasmitida al suelo sea capaz de controlar la deformación. 1) REFORZAR 46

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Recalces

FIG24 REFUERZO DE ESTRUCTUTRAS

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Inyecciones y micro pilotes

FUG25: PILOTES 2) REPARAR Estructuras - Colocar tensores - Colocar zunchos - Vigas collar - Reforzar esquinas - Reemplazar unidades de albañilería - Resanar fisuras - Complementar con tratamiento exterior de áreas y drenajes Muros de contención - Pueden sufrir por expansión horizontal - Difícil controlar con fuerzas que se opongan - Diseñar muros que toleren desplazamientos 47

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 Tramos cortos  No verticales  Evitar alineamientos largos  Texturas rusticas (sin tarrajeos) Mejor usar gaviones con vegetación

13.2· “PREHUMECTACIÓN” DEL SUELO: la teoría de “prehumectar “ el suelo antes de la construcción está basada en el hecho de que si al suelo se le permite que se expanda antes de la construcción y si luego la humedad del suelo es mantenida, no es de esperar cambios volumétricos y por lo tanto no es esperable daños sobre la estructura. La experiencia indica que en las áreas cubiertas por una losa, contrapiso, pavimento,etc., el contenido de humedad del suelo rara vez decrece. Si uno “inunda el suelo”, una vez que el suelo se hinche hasta su máximo potencial, la migración del contenido de humedad hacia la parte de suelo subyacente que se encuentra menos húmeda induce nuevas expansiones del suelo diferidas en el tiempo. Este proceso puede continuar durante cerca de 10 años. El tiempo requerido para lograr una adecuada humectación del suelo, aunque no sea necesario llegar a la saturación, es de al menos uno o dos meses, lo que puede ser considerado como demasiado largo. Además es muy cuestionable el hecho de que se obtenga una variación uniforme en el contenido de humedad del suelo en las áreas “prehumectadas”. Los suelos arcillosos, que son los potencialmente expansivos, son muy difíciles de “prehumectar” siendo lo más factible que el agua penetre a través de fisuras, etc., no lográndose una humectación pareja del suelo. Este método de “inundación previa” puede resultar útil para la cimentación mediante losas, construcción de pavimentos, canales, etc., pero no es adecuado para cimentaciones aisladas (tipo patín) La razón es que el prehumectar el suelo conlleva a reducir en una forma muy significativa los parámetros resistentes del suelo, lo que lo hace inadecuado para el apoyo de cimientos aislados. 13.3 REDUCCIÓN DE LA DENSIDAD DEL SUELO: este método es naturalmente válido cuando la cimentación se debe hacer sobre un material a terraplenar, o en aquellos casos en que se procede a la sustitución del suelo. La magnitud del asentamiento en un relleno depende de la densidad alcanzada en la compactación, el contenido de humedad de la compactación, el método de compactación y la carga que se aplique sobre el relleno Estos dos últimos están impuestos por el equipo usualmente disponible en la obra durante la compactación y la sobrecarga impuesta por la obra, de manera que sobre lo que podemos actuar es fundamentalmente sobre los dos 48

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primeros. En el gráfico siguiente Holtz and Gibbs muestran la influencia de la densidad y la humedad en la compactación de una arcilla expansiva.

FIG 26: GRAFICO DE DENSIDADES VS HUMEDAD Se puede apreciar el hecho de que las arcillas expansivas expanden poco cuando son compactadas a densidades bajas y alto contenido de humedad, pero expanden mucho cuando son compactadas a densidades altas y bajos contenidos de humedad. La principal razón de que el contenido de humedad es importante durante la compactación es que el contenido de humedad es un controlador del grado de densidad alcanzado, y no tanto por el hecho de que un alto contenido de humedad haga reducir sensiblemente la expansión. El elemento fundamental para controlar la expansión es el grado de densidad alcanzado. Ya en el año 1959 Dawson aconsejaba que en suelos expansivos se debía controlar no sólo el alcanzar un grado de compactación mínimo, sino también un valor máximo. Como se muestran en la tabla siguiente, un decremento de la densidad seca de una arcilla expansiva desde 109 a 100 pcf, la presión de hinchamiento decrece de 13 a 5 psf y el potencial de hinchamiento desde 6.7 a 4.2 %. Esto sin variar el contenido de humedad del suelo. La principal ventaja de controlar la densidad de compactación es que se puede reducir el potencial expansivo del suelo, sin necesidad de agregar agua por encima de la óptima, con las desventajas económicas que esto trae aparejado y los problemas analizados en el método anterior. 49

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13.4 SUSTITUCIÓN DEL SUELO EXPANSIVO: una alternativa simple de cimentar una losa o un patín en un material expansivo es remplazar el material expansivo por otro que no lo sea. La experiencia indica que si el suelo natural sobre el que estamos apoyando nuestro cimiento consiste en más de 5 pies (aprox. 1.50 mts) de suelo granular del tipo (SC-SP), que a su vez se apoya en un suelo altamente expansivo no existe riesgo de movimiento en la fundación cuando apoyamos la misma sobre este material granular. No está claro si es debido a que el agua superficial no llegará al material expansivo, o si existe un reacomodamiento del material granular que hace que los eventuales movimientos sean prácticamente inexistentes, o se debe a una combinación de ambos efectos... La afirmación anterior no es necesariamente cierto cuando el material sobre el que se apoya se tarta de un relleno especialmente seleccionado a nuestros efectos. El primer requerimiento es, obviamente, que el material no sea expansivo, eso lo cumplen los suelos cuya clasificación varía desde los materiales del tipo GW a los del tipo SC. Los materiales granulares que podemos considerarlos “limpios”, es decir con escasa cantidad de finos, aquellos cuya clasificación de acuerdo al S.U.C.S. varía del tipo GW a SP, tiene una permeabilidad tal que el agua podría llegar hasta los materiales subyacentes arcillosos y expansibles. Desde el punto de vista antes señalado sería preferible que los materiales del relleno sean menos permeables, con cierto contenido de finos (del tipo SM o SC), aunque estos tiene la contra de que los finos de estos materiales pueden a su vez presentar cierto grado de expansión. Uno de los criterios usuales es el planteo de la siguiente condición:

No es tan fácil que un suelo cumple con las condiciones antes planteadas. En caso de dudas razonables, para poder determinar realmente el potencial expansivo del suelo hay que proceder a las metodologías habituales a tales fectos. Una alternativa para mejorar el potencial expansivo del suelo sería el poder mezclar el material granular con el suelo emplazado en sitio. Si bien dicho método es teóricamente razonable, en la práctica se hace muy dificultoso la mezcla de material granular con arcillas de bajo contenido de humedad. Se necesita maquinaria especial, sobre todo por la dificultad de disgregar los “terrones“ de arcilla a tamaños adecuados, lo que lleva a costos tan caros

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como otros procedimientos en los que se obtienen mejores resultados como la estabilización con suelo cal o suelo cemento. La principal razón por la cual un relleno artificial de un material seleccionado no es tan efectiva como el apoyar sobre una masa de suelo granular en estado natural, es por la extensión del mismo debajo de la fundación en uno y otro caso. Cuánto mayor sea el área en que efectuamos el reemplazo, más efectivo resulta el relleno En las figuras siguientes se muestran consejos de extensiones de material a sustituir en caso de diferentes condiciones de cimentación.

FIG 27 REEMPLAZO DE MATERIAL EXPANSIBLE Con la tecnología disponible en la actualidad para la acción sobre los suelos expansivos, la sustitución de suelos puede ser considerada como una de las mejores opciones para la estabilización de estos suelos. Dentro de las ventajas de este método está el hecho de que se pueda compactar el material sustituido a elevados porcentajes de manera de poder soportar cargas importantes. Con el método de “prehumectado” o de “control del grado de la compactación”, la capacidad resistente del suelo se ve disminuida.

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El costo de esta alternativa no es caro si la comparamos con la de cualquier otra forma de tratamiento químico, etc. Con la excepción de la cimentación del tipo “losas flotantes” el método de reemplazo del material expansivo constituye el método más seguro para una fundación directa sobre este tipo de materiales. Cuando se procede a la sustitución de suelo, es conveniente tener la precaución adicional de realizar los drenajes superficiales en forma adecuada alrededor de la construcción de manera de evitar la infiltración de agua por debajo de los niveles del relleno. Algunas de las recomendaciones para la construcción de caminos propuesta por la Federal Higway Administration son las siguientes: - Profundidad mínima de reemplazo de material de 2 pies (60 cm). - Material de reemplazo que no sea granular, sino materiales limosos, o arcillas limosas, que no sean expansivas. - El material de relleno a ser utilizado debe ser compactado a una densidad entre 92 a95 % de la densidad máxima y a una humedad no menor ala óptima de la correspondiente al Proctor AASHTO T99. Recomienda profundidades mínimas de reemplazo según se trate de rutas principales o secundarias:

13.5 MODIFICACIÓN DE PROPIEDADES EXPANSIVAS DEL SUELO POR DIVERSOS PROCEDIMIENTOS: dentro de estas técnicas podemos citar ala estabilización del suelo mediante el agregado de cal, cemento, inyecciones. El agregado de cal, y de cemento al suelo como elementos controladores de la expansión se utilizan desde hace muchos años, preferentemente dentro del campo de la ingeniería vial, como estabilización de subrasantes de carreteras , etc., teniendo un uso casi nulo en la construcción de edificios. La acción, tanto de la cal, como la del cemento consisten en modificar las características plásticas del suelo, reduciendo el límite líquido, el Índice de Plasticidad e incrementado el límite de contracción. Las cantidades a agregar de cal y de cemento varían de 2 a 6 % en peso de la mezcla, dependiendo de los objetivos de la estabilización, la cual tiene la ventaja adicional (sobretodo en el caso de uso de cemento) de que mejoran el poder soporte del suelo (CBR). 52

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Una forma de modificación de las propiedades expansivas del suelo utilizadas en fundaciones de estructuras la constituye la realización de inyecciones químicas en el suelo, de manera de modificar las características plásticas del suelo, a la vez que disminuyen la permeabilidad del mismo. Estas técnicas resultan en general de alto costo, tanto por el costo del elemento químico a utilizar, así como de la técnica empleada para su aplicación. 13.6 AISLACIÓN DEL SUELO DE VARIACIONES IMPORTANTES EN EL CONTENIDO DE HUMEDAD: Si se pudiera lograr que el suelo no sufriera variaciones importantes en su contenido de humedad, entonces, por mayor que sea el potencial expansivo de la arcilla no habrá cambios volumétricos. La variación de contenido de humedad puede provenir de dos fuentes básicamente: a) la infiltración al terreno de aguas superficiales ó, b) la variación de niveles de agua subterránea. Si bien es relativamente sencillo sacar el agua libre que se ha introducido en la obra para la construcción de una fundación, realizando los drenajes adecuados ya sean superficiales o subterráneos ha tales efectos, pero sin embargo no es tan sencillo el impedir la migración de la humedad desde el exterior de un local hacia el interior de un área cubierta. Para impedir la infiltración de aguas superficiales se puede disponer de: Barreras horizontales contra la humectación del suelo alrededor de la construcción a través de: membranas, construcción de veredas perimetrales, pavimentos asfálticos, drenaje adecuado. Barreras verticales alrededor de la construcción para impedir las variaciones estacionales en el contenido de humedad del suelo también mediante el uso de membranas, hormigón, etc. Las “barreras verticales” usualmente están unidas a una horizontal para prevenir la humectación del suelo entre la barrera vertical y la construcción, ya que las barreras verticales deben construirse al menos 70 a 100 cm alejadas del perímetro de la construcción. Para evitar la variación del contenido de humedad por variación del nivel de agua subterránea la alternativa más adecuada la constituye la construcción de drenajes subterráneos. El proyecto de drenes deberá tener presente el tipo de acuífero de que se trate, si es confinado o no, el caudal de agua que escurre por el mismo, profundidad a la que se instala el dren, capacidad del sistema de drenaje , etc

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IV. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES Hasta ahora no se ha encontrado tendencias generales que nos permitan trabajar con ecuaciones universales es por eso que recomendamos trabajar por zonas de estudio, es decir cada zona, debería de tener su ecuación. Una de las recomendaciones más importante en este estudio es que si algún investigador desea caracterizar sus suelos expansivos debemos de resaltarle que se debe plantear de acuerdo a presión de expansión, mas no al grado de expansión, esto se debe a la existencia de zonas donde el grado de expansión era muy alto.

V BIBLIOGRAFIA  LAMBE, T.W. and WHITMAN, R. (1969). "Mecánica de los Suelos". Ed Española 1972. Ed Limusa.  Willey, S.A. Mexico.  LOMIZE, G.M. (1968). "One-Dimensional Problem of Percolation and Slump Type Settlement in  Homogeneous Loess Soils". Gigrotekhnicheskoe. Stroitt'stvo, Nº 10. pp. 22 - 27. Translated  Hydrotech. Const. Nº 10, pp. 881 - 888. - IDENTIFICACION Y ENSAYOS EN SUELOS DISPERSIVOS, Autores: Hilda Garay Porteros, Jorge E. Alva Hurtado. Ponencia presentada en el XII Congreso Nacional de Ingeniería Civil, 16 al 20 de Noviembre de 1999, Huánuco. - GALLEGOS, G., ESCALERA, M., ROMO, J., MALDONADO, E., & ROJAS. E, (2012). Problemas Ocasionados por los suelos Dispersivos en las Estructuras de Suelo. México: SMIG - http://www.eird.org/cd/building-codes/pdf/spa/doc13995/doc13995-3f.pdf - http://www.scielo.cl/fbpe/img/idesia/v25n2/img14.jpg

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