geomorfología, suelos expansivos y zonificacion geotecnica

FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
TEMA:
“Estudio de los Suelos Expansivos en Cuenca:
Sector Parroquia Bellavista”
Autores:
Cristian Marcelo Guncay Belecela
Guido Fernando Morocho Macancela
Tutora:
Ing. Martha Roura.
Cuenca – Ecuador
2005
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
RESUMEN DE LA TESINA
ESTUDIO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS EN CUENCA: SECTOR
PARROQUIA BELLAVISTA
La tesina consiste en una descripción de la ubicación, topografía, geología y geotecnia de la
zona de estudio; también contiene un conocimiento general de los suelos expansivos en donde
se indican las arcillas que lo constituyen, los problemas que causan a las estructuras edificadas
sobre este tipo de suelo, ensayos de laboratorio, clasificación e identificación y se indican
algunos criterios para el diseño de cimentaciones sobre suelos expansivos.
En muestras de suelo extraídas de la parroquia Bellavista se han realizado ensayos de
laboratorio para determinar el potencial expansivo del suelo y se recomienda el criterio de
diseño de cimentación en el caso de construir sobre este suelo.
CONTENIDO
CAPITULO 1
INTRODUCCION
1.1. Problema………………………………………………………………………………………….3
1.2. Objetivos…………………………………………………………………………………………..4
1.3. Ubicación………………………………………………………………………………………….5
1.4. Descripción de la topografía de la zona……………………………………………………….8
1.5. Descripción geológica y geotécnica de la zona………………………………………………9
1.5.1. Descripción Geológica…………………………………………………………………...9
1.5.2. Comportamiento Geotécnico…………………………………………………………….9
1.5.3. Susceptibilidad a terrenos inestables y sugerencias………………………………...10
1.6. Daños en las Edificaciones y Pavimentos del sector de Estudio: Parroquia Bellavista...10
CAPITULO 2
CONOCIMIENTO GENERAL DE LOS SUELOS EXPANSIVOS
2.1. Generalidades…………………………………………………………………………………..13
2.2. Minerales de arcilla…………………………………………………………………………..…14
2.3. Suelos expansivos……………………………………………………………………………...17
2.4. Montmorillonita……………………………………………………………..............................21
2.5. Fenómenos de expansión y presión de arcillas expansivas……………………………….22
2.5.1. Tipos de Expansión…………………………………………………………………….24
2.6. Problemas que causan los suelos expansivos…………………………………………..….25
2.6.1. Problemas en Edificaciones………………………………………………………….. 25
2.6.2. Problemas en Pavimentos…………………………………………………………..…27
2.7. Ventajas de los suelos expansivos...…………………………………………………………29
1
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
CAPITULO 3
DETERMINACION DE LOS SUELO EXPANSIVOS MEDIANTE ENSAYOS DE LABORATORIO
EN EL SECTOR DE ESTUDIO
3.1. Introducción……………………………………………………………………………………..31
3.2. Ensayos de laboratorio para identificar suelos expansivos…………………………..…...31
3.2.1. Ensayo de hinchamiento libre……………………………………………………..…..32
3.2.2. Ensayo de hinchamiento controlado………………………………………………….34
3.2.3. Otros tipos de ensayos…………………………………………………………….…...36
3.2.3.1. Expansión libre en probeta…………………………………….……………36
3.2.3.2. Ensayo del doble edómetro…………………………………….…………..37
3.3. Clasificación de suelos expansivos…………………………………………………..….…...38
3.4. Identificación y evaluación de suelos expansivos…………………………………………..44
3.5. Resultados de los ensayos realizados………………………..…………………..………....45
3.6. Conclusiones parciales…………………………………………………………………………45
CAPITULO 4
CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES SOBRE SUELOS EXPANSIVOS
4.1. Introducción…………………………………………………………………….…….........47
4.2. Consideraciones de Cimentación para suelos expansivos…………….....................48
4.2.1. Reemplazo de un suelo expansivo……………………………………………….50
4.2.2. Cambio de la Naturaleza de un suelo expansivo……………………………….51
4.2.3. Estructuras reforzadas para resistir el levantamiento…………………………..55
4.3. Construcción sobre Suelos Expansivos…………………………………………………56
4.3.1. Cimientos Superficiales Aislados o Continuos…………………………………..57
4.3.2. Losas o Placas de Cimentación…………………………………………………..59
4.3.3. Cimentaciones profundas…………..………………………………………………61
CAPITULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones………………………………………………………………………………..67
5.2. Recomendaciones………………………………………………………………………….68
ANEXOS
Anexo 1……………………………………………………………………………………………70
Anexo 2……….…………………………………………………………………………………..86
Anexo 3……….…………………………………………………………………………………..90
Bibliografía….…………………………………………………………………………………..103
2
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
CAPITULO 1
INTRODUCCION
En el sentido general de la ingeniería, suelo se define como el agregado no
cementado de granos minerales y materia orgánica descompuesta (partículas sólidas)
junto con el líquido y gas que ocupan los espacios vacíos entre las partículas sólidas.
El suelo se usa como material de construcción en diversos proyectos de ingeniería civil
y sirve para soportar las cimentaciones estructurales. Por esto, los ingenieros civiles
deben estudiar las propiedades del suelo, tales como origen, distribución
granulométrica, capacidad para drenar agua, compresibilidad, resistencia cortante,
capacidad de carga, y otras más.
Durante años el arte de la ingeniería de suelos se basó únicamente en
experiencias. Sin embargo, con el crecimiento de la ciencia y la tecnología, la
necesidad de mejores y más económicos diseños estructurales se volvió crítica. Esto
condujo a un estudio detallado de la naturaleza y propiedades del suelo en su relación
con la ingeniería.
Los suelos expansivos, dependiendo del grado de contenido de arcilla se
vuelven impredecibles en su comportamiento físico y mecánico, llegando a afectar
seriamente las edificaciones construidas sobre él; es por esta razón que merece una
especial atención este tipo de suelos.
1.1. PROBLEMA.
El suelo es el lugar en donde reposa o descansan todas las estructuras
que existen en la tierra por lo tanto merece una especial atención cuando sobre
él se edifique una construcción u obra. Dependiendo del nivel de la misma se
tomarán decisiones que conlleven gastos económicos; los mismos deben estar
debidamente justificados. Eso quiere decir si el terreno va a ser utilizado para
un hospital donde acude diariamente un numero inmenso de personas, en la
cual resulta justificado cualquier estudio de suelo que se haga para el diseño
de la misma, no tiene el mismo
3
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
sentido si sobre el terreno se fuera a construir una casa de campo u otras obras
pequeñas.
El suelo al igual que cualquier otro material de construcción requiere de ciertas
condiciones y propiedades para utilizarlo; por otro lado la existencia de una gran
variedad de suelos cuya disposición de partículas y propiedades de las mismas nunca
se repiten, hacen que el estudio de los mismos sea necesario para la realización de
un proyecto. Como se verá más adelante los suelos sensibles a la presencia del agua
(suelos arcillosos) son problemáticos, por lo que se requiere un tratamiento especial
en ellos y en las cimentaciones de las estructuras en el caso que se deba edificar
sobre éstos. Este trabajo, por lo tanto tiene el propósito de referirse a estos temas y a
definir este tipo de suelos de una manera adecuada.
1.2. OBJETIVOS.
El trabajo está encaminado al estudio de los suelos que se encuentran en el
sector Parroquia Bellavista, ya mencionado anteriormente en el titulo de esta tesina; lo
que se realizará se detalla a continuación:
•
Recopilar
información
sobre
suelos
expansivos
y
tipos
de
cimentaciones adecuadas en este tipo de suelo.
•
Realizar los ensayos en laboratorio con el objeto de determinar las
propiedades físicas y mecánicas del suelo.
•
Establecer definiciones de este tipo de suelos y su composición.
•
Definir los criterios que se requieren para las cimentaciones sobre
suelos expansivos.
•
Dar soluciones para reducir los efectos que pueden producir este tipo
de suelos sobre las estructuras.
•
Cumplir con el Reglamento de Grados de la Facultad de Ingeniería de
la Universidad de Cuenca.
4
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
1.3. UBICACIÓN.
El área de estudio se encuentra ubicado en Ecuador, en la Provincia del Azuay,
en la ciudad y cantón Cuenca. Para su ubicación se dispuso de los mapas
topográficos de Cuenca CT-NV-F4, 3785-II y Gualaceo CT-ÑV-E3, 3885-III y los
mapas geológicos de Cuenca CT-NV-F Hoja 53 y el mapa de Azogues CT-ÑV-E Hoja
73 elaborados por el Instituto Geográfico Militar (I.G.M.)
Un pequeño sector del Norte y Este de la cuidad de Cuenca se halla sobre un
depósito de suelos finos de origen sedimentario llamado arcillas varvadas, que fueron
formadas en el Pleistoceno (Cuaternario). La zona de estudio se encuentra a lo largo
de la Avenida de Las Américas y sus alrededores, entre los 2570 y 2640 m.s.n.m. y
alrededor de las coordenadas (2º52.34` , 78º59.18`) y (2º53.25` , 78º59.18`) hasta
W79º1.25`, que abarca los sectores conocidos como Cristo Rey, Miraflores, etc.
En una delimitación más precisa los varves que estudiaremos en este trabajo,
se asientan en las calle Yaupi y Abelardo J. Andrade entre las calles Francisco
Tamariz y Einstein en el norte, en el sur por la calle Eugenio Espejo que se extiende
desde el Centro de Rehabilitación de Varones hasta la Iglesia del Cristo Rey, al oeste
por las calles Isaac Newton, T. Edison y Nicanor Merchán, y en el este por la calle
Francisco Tamariz, (ver Figura 1.1 y 1.2).
5
5
BELLAVISTA
Figura 1.1. Sector de la ciudad de Cuenca, que es el objeto de estudio de esta tesina.
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 1.2. Lugar especifico de estudio.
7
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Este sector se ha dividido en dos zonas de estudio, Sector de Miraflores y
Parroquia Bellavista. Este último es lo que estudiaremos en el presente trabajo.
La zona está totalmente habitada, una mínima parte de las viviendas ubicadas
en la zona presentan grietas de tamaños diversos y las calles están totalmente
cubiertas con pavimento rígido.
La ciudad de Cuenca se encuentra en la región interandina, en la Cordillera de
los Andes en donde hay temperaturas frías constantes a causa de la altitud. La
temperatura en la Sierra varía según la altitud y las horas del día, más o menos de
21 ºC al mediodía a 7 ºC al anochecer. Específicamente la Provincia del Azuay se
encuentra a una altitud de 2.500 m.s.n.m; con un clima húmedo y semi- húmedo en la
mayor parte de la provincia y zonas de páramo, en la provincia la temperatura se
encuentra entre los 12° y 20° centígrados. Los meses de junio, julio y agosto son los
meses de menor precipitación en el año (estación de
verano), en los meses de
febrero, marzo, abril y mayo se presentan la mayor cantidad de precipitaciones del año
(estación de invierno).
La variación de la temperatura afecta el comportamiento del suelo ya que por
su alto contenido de arcilla hace que su volumen este en un cambio constante, a altas
temperaturas se reduce y por su composición laminar se vuelve frágil, en cambio a
bajas temperaturas su volumen aumenta.
1.4. DESCRIPCIÓN DE LA TOPOGRAFÍA DE LA ZONA.
La zona que es el objeto de nuestro estudio cuenta con casas o edificaciones
de varios niveles o pisos, que en su mayoría son residenciales.
Además, es notable que la superficie es inclinada, ya que esta ubicada en una
parte alta de la ciudad de Cuenca, así como también es visible en los taludes los
varves de los que esta compuesta; los mismos que están parcialmente meteorizados.
8
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
1.5. DESCRIPCION GEOLÓGICA Y GEOTÉCNIA DE LA ZONA.
La formación que conforma el sector de Bellavista, es la denominada arcilla
varvadas (QV):
1.5.1. DESCRIPCIÓN GEOLÓGICA.
Una pequeña parte de un deposito de arcillas varvadas aflora al Norte de la
ciudad de Cuenca. Su levantamiento geológico se ve seriamente dificultado por la
presencia de zonas urbanas que cubren casi la totalidad de la superficie.
Deposito de arcillas, limos y limonitas finamente estratificados color habano
claro a habano oscuro, oxidados y fragmentados. El origen de estas arcillas es
típicamente lacustre, su fina estratificación es de origen estacional. Los varves son de
color café claro y a medida que aumenta lo profundidad van adquiriendo un color mas
oscuro; en las capas superficiales se puede constatar el proceso de meteorización
1.5.2. COMPORTAMIENTO GEOTÉCNICO.
Condiciones Geodinámicas.- No hay evidencias de zonas inestables. Estas
arcillas participaron en deslizamientos históricos en el área urbana de la ciudad de
Cuenca, principalmente en las laderas cercanas a la quebrada Milchichig.
Condiciones Hidrogeológicas.- Estratos y materiales de alta porosidad y baja
transmisibilidad. Se relacionan con aguas freáticas, pero la infiltración es controlada
parcialmente por la pavimentación y uso de zonas urbanas.
Trabajabilidad y posible uso del material.- Material muy sensible a la humedad
y alta expansividad. Es preferible su remoción en estado seco cuando su potencia es
baja. No tiene un uso potencial actual.
Condiciones Estructurales.- Espaciamiento de la fracturación y estratificación
entre 3 y 5 cms., sistemas múltiples. Fracturas cerradas y abiertas hasta 10 mm,
vacíos o rellenos de arcilla, bordes blandos y oxidados. Fuertes indicios de
expansividad.
9
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Comportamiento Geotécnico en resumen.- Arcillas sensibles a la saturación y al
remoldeo, son de mediana a baja consistencia en estado seco y baja resistencia al
corte paralelamente a la estratificación y en estado húmedo.
En la tabla 1.1 se encuentran los parámetros físicos – mecánicos de la
formación QV. (Ref. 1).
Tabla 1.1.
PARAMETROS FISICO - MECANICOS
SUCS
ML - CL
K
γ
C’
Cu
Фu
σc
m/s
kN/m3
MN/m2
MN/m2
grados
MN/m2
10-4 – 10-6
13 -16
0 – 0.01 *
0.01 *
15 – 25 *
6*
* Valores asumidos a partir de las características físicas y referenciales de ensayos de propiedades físicas.
1.5.3. Susceptibilidad a la inestabilidad y sugerencias.
Mediana a alta. Deleznable en estado seco y colapsable en pendientes bajas a
moderadas, en estado saturado y con sobrecarga. Para cimentaciones se recomienda
reemplazo de suelos, para muros de contención control de drenaje superficial y
subterráneo. Es importante la localización en detalle de arcillas varvadas en las
márgenes de la quebrada Milchichig.
1.6. DAÑOS EN LAS EDIFICACIONES Y PAVIMENTOS DEL SECTOR DE
ESTUDIO: PARROQUIA BELLAVISTA.
El sector bajo estudio no muestra mayores agrietamientos en las casas de la
zona, no así en lo que tiene que ver a carreteras y aceras, las cuales están
visiblemente deterioradas por la falta de mantenimiento.
Las figuras 1.3 a, b y c; muestran grietas en casas y cerramientos del sector
Bellavista, aunque vale recalcar que no existen muchas grietas en las edificaciones.
10
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
a)
b)
c)
Figura 1.3.
En la figura.1.3 a, se observa la grieta que se ha producido en el cerramiento
de una casa del sector, en la figura. 1.3 b, se puede observar las grietas diagonales
que se han generado en la pared de una vivienda ubicada en las calles General Torres
y Teniente H. Ortiz, mientras que en la figura.1.3 c se observa la grieta en el segundo
piso de la vivienda mencionada en un vértice de la ventana.
En lo que se refiere a los daños en las calles del sector, se encontraron una
cantidad apreciable de fallas de distintos tipos, pero que su causa principal se debe a
que el suelo de cimentación es expansivo.
Las figuras 1.4, a, b y c, confirman los daños que producen los suelos
expansivos en los pavimentos.
a)
b)
c)
Figura 1.4.
Estas figuras corresponden a calles diferentes del sector Bellavista tales como:
Eugenio Espejo, Tarqui, Padre Aguirre, etc; donde se observan principalmente grietas
11
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
de varias magnitudes en ancho y largo, debido al ciclo repetitivo de expansión y
retracción característico de los suelos expansivos.
12
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
CAPITULO 2
CONOCIMENTO GENERAL SOBRE LOS SUELOS EXPANSIVOS
2.1. GENERALIDADES.
Muchas arcillas plásticas se expanden considerablemente cuando se agrega
agua y luego se contraen con la perdida de agua. Las cimentaciones construidas
sobre esas arcillas están sometidas a grandes fuerzas de levantamiento causadas por
la expansión. Esas fuerzas provocan levantamiento, agrietamiento y ruptura de la
cimentación, y de las losas de los edificios.
Las arcillas expansivas cubren grandes extensiones de Estados Unidos,
América del Sur, África, Australia y la India. En general, las arcillas potencialmente
expansivas,
tienen
límites
líquidos
e
índices
de
plasticidad
mayores
a
aproximadamente 40 y 15, respectivamente.
En nuestro país existen suelos expansivos en ciertas partes del sur del
Ecuador, como Cuenca y Guayaquil principalmente.
En muchos lugares en la
Provincia del Guayas se han encontrado este tipo de suelos., que básicamente fueron
arcillas que contenían minerales como: caolinita, ilinita y montmorillonita.
Un incremento en el contenido de agua ocasiona que la arcilla se expanda. La
profundidad en un suelo a la que ocurren cambios periódicos de humedad se llama
zona activa. La profundidad de esta zona varia, dependiendo del lugar.
El movimiento que se origina debido al cambio de temperatura, puede
ocasionar una presión tan grande que llega a agrietar aceras, entradas de autos,
tuberías e incluso las fundaciones o cimientos.
No todas las tierras expansivas tienen el mismo potencial de hinchamiento. Las
pruebas realizadas en laboratorio pueden determinar el hinchamiento potencial de un
suelo en particular y la probabilidad de daño estructural.
13
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
2.2. MINERALES DE ARCILLA.
Los tipos de suelos expansivos que se conocen están en función del tipo de
arcilla y del mineral que contienen en su estructura, además de su porcentaje en el
volumen total del suelo.
Es necesario tener un concepto general de la composición química de las
fracciones de suelo para comprender su comportamiento fisicoquímico.
El estudio mineralógico de las arcillas mediante las técnicas de rayos X y de
petrografía mostró que están constituidas principalmente por minerales cristalinos
claros y diversas cantidades de material no cristalino. Los principales elementos
químicos constituyentes de las arcillas son átomos de silicio, aluminio, fierro,
magnesio, hidrógeno y oxígeno.
Los patrones de construcción de los diferentes minerales de arcilla son
unidades de forma como el tetraedro y el octaedro.
Se han identificado muchas especies de minerales de arcilla con diferentes
propiedades físicas, mecánicas y químicas como:
Grupo de caolín.
Se caracteriza por tener una lámina de sílice y otra de alúmina. Por ejemplo,
caolinita (ver figura 2.1), dickita, nacrita y halloysita. Tienen poca dilatación o
contracción y poca plasticidad.
Figura 2.1. Caolinita.
14
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Grupo de las micas.
Se caracteriza por tener 2 láminas de sílice y una de alúmina. Los 2 subgrupos
principales son la ilita y la vermiculita, (ver Figura 2.2.)
Figura 2.2. Vermiculita.
Grupo de la montmorillonita.
Se caracteriza por tener 2 láminas de sílice y una de alúmina en las cuales el
retículo cristalino se dilata y se contrae conforme a la cantidad de agua y a los
cationes intermedios. La hidratación de estos cationes y la adsorción de moléculas de
agua en los planos de oxígeno de las láminas de sílice mediante enlaces de hidrógeno
causan la hinchazón entre las capas y la dilatación de la red cristalina. La alta
capacidad de intercambio catiónico y la naturaleza expansiva de la red del cristal
influyen mucho en la viscosidad, hinchazón, plasticidad y otras propiedades físicas.
Figura 2.3. Montmorillonita.
Al referirnos al tipo de arcilla, queremos decir si se trata de Caolinita, Illita o
Montmorillonita (ver Figura 2.3), ya que de estas depende que al suelo se lo catalogue
como poco expansivo o muy expansivo; siendo la mas problemática el suelo
compuesto por Mointmorillonita, así lo demuestran las distintas pruebas hechas en
15
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
laboratorio y además de los daños estructurales que se han presentando al paso del
tiempo.
En la tabla 2.1 (Ref.2) se muestran los resultados que se obtuvieron en
laboratorio al analizar tres
tipos de suelos con los
minerales mencionados
anteriormente:
Tabla 2.1.
Ion
Mineral
Montmorillonita
Illita
Caolinita
LL (%)
LP (%)
IP (%)
Na
710
54
656
K
660
98
562
Ca
510
81
429
Na
120
53
67
K
120
60
60
Ca
100
45
55
Na
53
32
21
K
49
29
20
Ca
38
27
21
Intercambiable
Datos obtenidos de Trenter N. A. (2001) “Eartworks: a Guide” Thomas Telford Londres 265p.
La plasticidad de este tipo de suelos varía por distintos factores siendo los
principales:
•
Tipo de mineral de arcilla
•
Ion intercambiable
•
Contenido de arcilla en el suelo
•
Redondez y uniformidad de las partículas granulares
Por lo expuesto, es importante tener un conocimiento de la estructura
(composición) del suelo, ya que constituye el punto de partida para la construcción de
cualquier edificación, además es una valiosa información para las medidas preventivas
a tomar antes, durante y a futuro del proyecto.
16
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
2.3. SUELOS EXPANSIVOS.
La palabra suelo se deriva del latín solum, que significa suelo, tierra o parcela.
Los suelos se forman por la combinación de cinco factores que interactúan entre sí,
como son el material de origen, el clima, la topografía, los organismos vivos y el
tiempo.
Los suelos constan de cuatro grandes componentes: materia mineral, materia
orgánica, agua y aire, con unos porcentajes en volumen aproximados de 45, 5, 25 y
25%, respectivamente.
Los constituyentes minerales o inorgánicos de los suelos normalmente están
compuestos de pequeños fragmentos de roca y minerales de varias clases. Las cuatro
clases más importantes de partículas inorgánicas son, en tamaño descendente: grava,
arena, limo y arcilla.
El aire en el suelo no es continuo y está localizado en los poros separados por
los sólidos. Este aire tiene generalmente una humedad más alta que la de la
atmósfera, que en condiciones óptimas, su humedad relativa se aproxima al 100%. El
contenido de anhídrido carbónico es por lo general más alto y el del oxígeno más bajo
que los hallados en la atmósfera.
La arcilla y el humus son el asiento de la actividad del suelo; estos dos
constituyentes existen en el llamado estado coloidal. Las propiedades químicas y
físicas de los suelos están controladas, en gran parte, por la arcilla y el humus, las que
actúan como centros de actividad a cuyo alrededor ocurren reacciones químicas y
cambios en los nutrientes. La mayoría de los minerales de la arcilla poseen estructuras
químicas con forma laminar. La combinación de estas láminas da lugar a diferentes
minerales arcillosos tales como caolinita, montmorillonita, illita, etc. Estas estructuras
tienen la capacidad de retener agua, que queda absorbida mediante enlaces
electrostáticos. Pero, cuando las moléculas de agua se alejan de las partículas de
arcilla pierden el estado de atracción y se convierte en agua suelta.
Así, ciertas arcillas, en cuya composición entra a formar parte el mineral
montmorillonita, tienen espacios entre las láminas que pueden absorber agua
provocando su expansión. Estos materiales se conocen como arcillas expansivas o
17
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
suelos expansivos y, son la causa de la mayoría de los problemas derivados de la
construcción de carreteras o edificios en suelos que tengan esta capacidad.
Los suelos expansivos se caracterizan por estar constituidos de materiales
finos sedimentarios heterogéneos. Existen zonas en donde los suelos son de alta
plasticidad, muy expansivos, del orden de 35% en volumen. Estos suelos se
caracterizan por su comportamiento mecánico: contracción de la arcilla por secado,
expansión de la arcilla al humedecerse, desarrollo de presiones cuando la arcilla se
confina y no puede expandirse, disminución de la resistencia al corte y de la capacidad
de soporte al expandirse. Entre las consecuencias de construir en estas áreas están,
entre otras, la aparición de fisuras verticales que nacen en la parte superior de las
paredes y, van de arriba hacia abajo. Son más abiertas arriba que abajo, y
generalmente no llegan a la línea de cimientos. Por ello es muy importante que, antes
de comenzar una construcción, se debe hacer un buen estudio de suelos para conocer
si existen o no este tipo de materiales.
Los suelos expansivos se caracterizan por materiales finos sedimentarios
heterogéneos. Estos suelos se caracterizan por su comportamiento mecánico:
contracción de la arcilla por secado, expansión de la arcilla al humedecerse, desarrollo
de presiones cuando la arcilla se confina y no puede expandirse, disminución de la
resistencia al corte y de la capacidad de soporte al expandirse.
En respuesta a los procesos de hidratación y deshidratación, los suelos se
clasifican en dos grupos: los que mantienen su volumen total pero sufren cambios
internos entre los vacíos para aire y para agua y, los que cambian a estos dos niveles
(Figura 2.4).
18
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
DESHIDRATACION
Teorico
HIDRATACION
GASEOSO
GASEOSO
LIQUIDO
LIQUIDO
SOLIDO
SOLIDO
GASEOSO
LIQUIDO
SOLIDO
Observado
Figura 2.4. Aspectos teóricos y observados de la hidratación - deshidratación de suelos
expansivos - contractivos (tomado de Coulombe. 1996.)
Esto significa que dependiendo del estado de humedad, estos suelos pueden
comportarse como el suelo de la figura en seco, aunque desarrollando abundantes y
profundas grietas.
Por las razones descritas, estos suelos son menos susceptibles de ser
compactados pero presentan una seudo compactación al inicio de la época de lluvias
después de un largo período sin aportes de agua, "compactación" que desaparece tan
pronto como el suelo se humedece en ese espesor por lo general un tiempo después
de las labores de preparación y siembra.
Estos cambios físicos en el tiempo, dependientes del contenido de humedad,
se representan en la figura 2.5.
19
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 2.5. Esquema de la variación de la porosidad del suelo en el tiempo en función de la
humedad (tomado de Daiki, 1993.)
Arcillas Expansivas
Se conocen como suelos expansivos, dado que sufren procesos de expansión
y contracción. Éstos, al estar en clima estacional generan grandes grietas por donde
migra el material del suelo, hacia abajo y hacia arriba, son los suelos denominados
Vertisoles que generan constante inestabilidad en las obras civiles efectuadas.
La utilización de estos suelos requiere condiciones especiales, tanto desde el
punto de vista de la ingeniería como de la preparación para agricultura. Los problemas
que se presentan en estos suelos son derivados más que todo por los cambios de
humedad; éstos a su vez pueden estar inducidos por las cambiantes condiciones
ambientales (épocas de sequía y de lluvia), efecto termo-ósmosis, fugas en las
conducciones de aguas, extracción de agua por la vegetación aledaña a la
construcción y en fin toda situación que implique básicamente cambio en el estado de
humedad del suelo.
Uno de los fenómenos que se origina en estos suelos es la expansión, la
misma se explica por absorción de agua, dada la deficiencia eléctrica del suelo, su alta
superficie específica y su capacidad catiónica de cambio. Los problemas que
ocasionan son altas presiones y grandes deformaciones.
20
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
2.4. MONTMORILLONITA.
De lo expuesto anteriormente se sabe que la montmorillonita (Figura 2.4) es un
mineral de la arcilla, de todos los tipos de mineral de arcilla que existen sin duda este
es el mas problemático.
Pruebas en laboratorio realizadas a suelos compuestos por este mineral
corroboran su alto grado de susceptibilidad ante cualquier cambio de humedad en el
suelo.
Su presencia es un factor de alerta, e induce a buscar soluciones para evitar o
prevenir fallas o en mucho de los casos colapsos en las obras construidas sobre
arcillas expansivas.
Por su naturaleza, características físicas y mecánicas, y composición química
este mineral resulta el peor de los materiales que se puede usar como material de
base para cimentación, como material de subrasante o base de carreteras, etc.
Para un mejor y mayor conocimiento acerca de este mineral se presentan las
gráficas (Figura 2.6. a ,b) y además sus principales propiedades y usos:
a) Foto del mineral
b) Direcciones ópticas y cristalográficas
Figura 2.6.
Fórmula Química:
(Mg,Ca)O.Al2O3Si5O10.nH2O
Composición: Silicato de aluminio, magnesio y calcio hidratado
Cristalografía: Monoclínico
Clase: Prismática
21
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Propiedades Ópticas:
Biaxial negativo
Hábito:
Masas micro y
Dureza:
1-2
Densidad relativa:
Fractura:
criptocristalino.
2-2,7
Concoidal
(no
agregado)
Brillo: Lustroso (no agregado)
Color: Blanco, rosa, azul.
Asociación: Asociada
a
zeolitas,
cuartzo
y
otros
minerales
de
arcilla.
Origen: Producto de alteración de rocas ígneas efusivas, metamórficas y
sedimentares en ambiente mal drenado.
Usos: Desodorante, descolante, insecticida, etc.
Propiedades Físico-químicas: La montmorillonita es una arcilla formada por un
silicato complejo cuya composición general es Al2O5•4SiO2•4H2O.
Es altamente hinchable en agua. Presenta compatibilidad con la mayoría de los
ingredientes, y sinergismo con las gomas orgánicas. Se puede usar en un amplio
rango de pH.
Aplicaciones: Se usa como agente espesante y formador de suspensiones. La
concentración de uso en emulsiones o suspensiones es del 1-5%.
Por lo tanto, es deber del ingeniero ante un proyecto que involucre suelos
expansivos cuyo mineral sea montmorillonita tomar las debidas precauciones o en el
mejor de los casos evitar la construcción de cualquier obra civil en el lugar.
2.5. FENÓMENOS DE EXPANSIÓN Y PRESIÓN DE ARCILLAS EXPANSIVAS.
El termino suelo expansivo indica no solo la tendencia a aumentar su volumen
por absorción de agua, sino también a presentar retracción al secarse.
22
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Las evaluaciones tecnológicas o de ingeniería
hacen referencia a la
predicción de las propiedades mecánicas o geotécnicas de los suelos. Estos tipos de
evaluaciones se vienen incrementándose, muy especialmente en la predicción de la
compactación, plasticidad, manejabilidad y expansión- retracción del suelo.
El potencial de expansión-retracción es un aspecto significativo de las
evaluaciones geotécnicas, el cual determina el cambio de volumen del suelo en
función del cambio en contenido de humedad. El cambio en el volumen del suelo está
influido por el cambio de humedad y la cantidad y tipo de arcilla. El coeficiente de
extensibilidad linear (COLE) y el cambio de volumen potencial (PVC) se usan para
determinar el comportamiento de expansión- retracción del suelo.
Estas evaluaciones de ingeniería del suelo pueden ser útiles a personal
comprometido en planificación, construcción y mantenimiento de proyectos de obra
civil, así como de manejo agrícola. Sin embargo, es necesario señalar a los posibles
usuarios las limitaciones de estas predicciones y las precauciones necesarias, ya
que la investigación detallada sobre el lugar es también necesaria para verificar los
datos pronosticados, e incluso, en algunos casos, será necesario el cálculo de otras
determinaciones adicionales. Otro aspecto importante es la profundidad apropiada de
muestreo del suelo, considerando la variabilidad vertical del perfil de suelo estudiado.
Para una mejor visión de los fenómenos de expansión y presión que se dan en
los suelos arcillosos, detallamos en un breve resumen lo que se origina en el suelo:
Por ejemplo, si tenemos un suelo saturado, el agua esta ejerciendo una fuerza de
separación entre las partículas sólidas del suelo (presión hidrostática). Luego el suelo
empezara a secarse por cualquier causa, que generalmente es el calentamiento por el
sol, y el agua que hay en el suelo se evaporara, y la masa de suelo tratara de tomar su
nivel freático normal, de esta manera las aguas empezaran a tratar de bajar,
creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce unos esfuerzos de
compresión en el suelo, pasando este de la presión hidrostática (cuando el suelo
estaba saturado), a un esfuerzo de tensión superficial (al tener el fenómeno de
capilaridad del agua).
De esta manera el suelo entrara en un proceso de contracción. Hay que tener
en cuenta que el suelo debe ser un suelo fino, para poder producir el proceso de
capilaridad, y de esta manera crear la tensión superficial necesaria para que el suelo
se contraiga. El proceso de la retracción del agua hacia el interior no se hará
23
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
simultáneamente en toda la masa de suelo, debido a que la masa de suelo tiene
diferentes diámetros de poros, produciendo tubos capilares de diferentes diámetros,
bajando primero el agua que se encuentra en los canalículos más gruesos (Especie de
tubos capilares formados por los poros del suelo).
En todos los suelos están presentes estos fenómenos, pero son en los suelos
expansivos en donde son más notorias por las fallas en las obras civiles que produce,
ya que las magnitudes de las grietas que se producen son tan grandes que pueden
originar el colapso total de una obra.
2.5.1. TIPOS DE EXPANSIÓN
DOMOS: Se producen principalmente bajo placas de fundación por cambios lentos en
la humedad como los debidos a la perdida de la evapotranspiracion.
Generalmente las paredes tienden a inclinarse hacia fuera y el techo al tratar
de impedir este desplazamiento produce la aparición de fracturas horizontales cerca al
mismo. El desplazamiento de las paredes produce agrietamientos horizontales,
verticales y diagonales.
CICLICO: Un tipo de hinchamiento cíclico relacionado con cambios estacionales
produce efectos de levantamiento y asentamiento de los bordes de la edificación.
Estos efectos pueden extenderse hacia adentro hasta 3 metros.
DE BORDE: Producido especialmente en zonas donde existía vegetación previa a la
construcción y falta de un buen drenaje.
LATERAL: Sobre las estructuras de contención o muros de sótanos se pueden crear
presiones laterales debidas a suelos expansivos tan altas como el empuje pasivo, que
pueden producir abultamientos y agrietamientos de estos elementos.
FLUJO PLASTICO: Construcciones sobre pendientes mayores al 10 % en suelos
cohesivos expansivos pueden sufrir desplazamientos considerables debido a la
reptación o flujo plástico de la ladera. Los daños pueden ser importantes en
estructuras sobre pilotes que no estén diseñadas para estas fuerzas horizontales.
24
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
2.6. PROBLEMAS QUE CAUSAN LOS SUELOS EXPANSIVOS.
2.6.1. PROBLEMAS EN EDIFICACIONES:
Por sus características físicas y químicas y además por su grado de alteración
ante la presencia de agua en el suelo, origina muchos y diferentes problemas en las
obras civiles que se edifiquen sobre ellos; ya que debido a los hundimientos
diferenciales que se dan, producen grietas de alta magnitud.
Daños debidos a movimientos diferenciales.
Los movimientos de expansión y contracción producidos en suelos expansivos
pueden causar movimientos diferenciales de las estructuras cimentadas sobre estos
suelos. Los daños en las edificaciones son causados generalmente por movimientos
diferenciales más que por movimientos totales. Los desplazamientos no uniformes
causan una redistribución de las cargas estructurales sobre los elementos de la
cimentación que motivan el aumento de los esfuerzos de cortante de tensión en
algunos puntos que pueden llevar al fisuramiento y agrietamiento de los elementos
resistivos, el desplazamiento de los mismos, y la transmisión de esfuerzos indeseables
a la superestructura. Los daños producidos por este proceso generalmente se
aprecian en primera instancia en las paredes de las edificaciones que no están
diseñadas para tomar mayores esfuerzos de tensión y cortante.
Ocurrencia de los daños.
Los
daños
causados
por
la
expansión
del
suelo
pueden
aparecer
inmediatamente después de la construcción, o pueden aparecer mucho tiempo
después. La ocurrencia de los daños depende de los factores que pueden afectar el
equilibrio de humedad bajo la cimentación tales como: clima, drenaje, localización del
nivel freático, construcciones vecinas, niveles freáticos colgantes, mantenimiento del
terreno (irrigaciones), vegetación, etc.
Tipos de daños.
Las estructuras mas vulnerables al efecto de suelos expansivos son aquellos
de tipo liviano, en donde debido a la baja carga que transmiten al terreno, les es más
25
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
difícil contrarrestar el efecto de hinchamiento producido por el aumento de la humedad
en el terreno. Los daños se manifiestan principalmente en: agrietamiento de paredes,
de losas de primer piso, de vigas de amarre, desajustes en puertas y ventanas,
rompimiento de tuberías enterradas de acueducto y alcantarillado, y eventualmente
fallo de la cimentación y de la estructura soportada (ver Figura 2.7).
GRIETA HORIZONTAL
GRIETA VERTICAL
GRIETA DIAGONAL
Figura 2.7. Agrietamiento por asentamiento de borde
Causas.
La principal causa de los movimientos en la fundación debido a suelos
expansivos es el cambio de humedad debido a:
1. Cambios en el medio ambiente que rodea la edificación.
2. Cambios en las condiciones del terreno por procesos constructivos.
3. Uso no controlado de agua alrededor y por debajo de la cimentación.
Entre los primeros tenemos variaciones grandes en el clima tales como sequías
severas seguidas de fuertes inviernos, cambio en la localización del nivel freático y
reacciones químicas en el terreno debido a la infiltración de sales o a la oxidación de
piritas.
26
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Entre los segundos tenemos:
1. El cubrimiento de un área con una edificación reduce la transpiración de
humedad de la vegetación existente anteriormente aumentando la misma.
2. Igualmente disminuye la evaporación aumentando la humedad.
3. Se ocasiona un gradiente térmico que hace que la humedad fluya de las zonas
mas calientes hacia las más frías.
4. Un drenaje inadecuado que permita empozamientos, es favorable al aumento
de humedad.
5. La excavación y las juntas entre edificaciones y el terreno permiten la de agua
más fácilmente al terreno.
6. El desecamiento de las paredes de la excavación y su agrietamiento favorecen
la entrada de agua y el hinchamiento.
7. El punzonamiento de niveles freáticos colgantes es una fuente de humedad par
estratos expansivos mas bajos.
Entre los terceros tenemos: El riego de prados y jardines, la plantación de
jardines y árboles ornamentales, el efecto de la rotura de tuberías de acueducto y
alcantarillado bajo la cimentación de cuartos fríos, calderas, etc., en primeros pisos y
sótanos.
2.6.2. PROBLEMAS EN PAVIMENTOS.
La construcción de un pavimento supone, en general, un incremento de
humedad de los suelos del terraplén o terreno natural por varios motivos:
1. Cesa la evapotranspiracion de la cubierta vegetal. En climas áridos y
semiáridos la transpiración vegetal es responsable del mantenimiento de las
succiones en las capas superiores del terreno. La evaporación directa del
suelo, aunque es más reducida y confinada a un delgado espesor superficial
también queda reducida.
2. El pavimento, sobre todo si es de concreto hidráulico, permite la entrada fácil
del agua a través de las grietas y capas granulares de base.
El incremento de humedad asociado a estos fenómenos hace disminuir la
succión original del agua y por tanto tiende a producir la expansión del suelo. La
succión de los metros superiores de suelo en climas semiáridos y subhumedos puede
27
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ser muy elevada. Esta controlada por muchos factores (clima, tipo se suelo, tipo y
densidad de vegetación y posición del nivel freático). Difícilmente, sin embargo, se
darán en climas semiáridos condiciones hidrostáticas por encima del Nivel Freático. En
ausencia de niveles freáticos, con mayor razón aun, la succión puede permanecer alta
de forma indefinida.
El potencial de expansión de un perfil de arcilla, cuando se
alteran sus condiciones naturales, esta poco relacionado con las medidas estacionales
de expansión. En efecto, la vegetación puede mantener succiones elevadas incluso en
periodos húmedos y controla la infiltración real hacia capas inferiores. A este respecto
son significativas las medidas de expansión a lo largo del tiempo cuando se reemplaza
la cubierta vegetal por capas continuas, o bien si simplemente se elimina la
vegetación.
La mayor capacidad para humedecer el suelo expansivo de manera irreversible
y por tanto para provocar la máxima expansión, se consigue con una capa superficial
de arena. Es interesante comprobar que bajo las áreas sin vegetación se produce
también un incremento significativo de la humedad. La expansión es siempre
creciente, lo que implica también un incremento irreversible de humedad.
En las carreteras afectadas por suelos expansivos se detectan dos tipos de
fenómenos:
Formas onduladas, parece que esta rugosidad exhibe longitudes de onda
mayores que las observadas en campo abierto, pero amplitudes menores.
Fenómenos de borde que conducen a agrietamientos longitudinales debido a la
mayor inestabilidad del borde en relación con el eje de la calzada.
Se señala también con frecuencia que los conductos de drenaje y los drenes
asociadas a ellos son una vía preferente para el incremento de humedad y por tanto
para la aparición de movimientos y daños.
Para limitar la acción de los suelos expansivos se han propuesto o utilizado
varios procedimientos que se pueden agrupar de la forma siguiente:
Mantener constante la humedad inicial del terreno. Humidificar el terreno
expansivo y mantener a continuación la humedad constante.
Sustituir el terreno natural por terreno estable.
28
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
2.7. VENTAJAS DE LOS SUELOS EXPANSIVOS.
Hace referencia al uso que se da a los suelos arcillosos en los rellenos
sanitarios, obteniéndose buenos resultados hasta el momento por las siguientes
razones:
Las arcillas impermeabilizan y evitan el paso del lixiviado y/o del agua.
Los minerales de arcilla absorben ciertos iones del lixiviado.
Con el tiempo por acción de los químicos orgánicos del lixiviado se produce
floculación de la arcilla y se mejoran las características de impermeabilidad de
la arcilla.
Pero para que un suelo arcilloso sea catalogado o calificado apto para ser
utilizado en un relleno sanitario, debe cumplir con las siguientes propiedades:
Limite liquido menor que 90%
Índice plástico entre 12 y 65 %
Contenido de arcilla mayor al 35 %
Contenido de grava menor que el 30 %
Tamaño máximo de la partícula 25 mm
Los detalles más importantes a tener en cuenta en las impermeabilizaciones de
arcilla en rellenos sanitarios son:
No utilizar arcillas preconsolidadas (son difíciles de compactar).
Las capas delgadas de compactación son más impermeables.
Deben
analizarse
los
asentamientos
y
expansiones
(producen
agrietamientos).
Evitar zonas con agua a presión o niveles freáticos altos.
Talud máximo 3 horizontal y 1 vertical.
Puede ocurrir erosión (especialmente si son limosas).
Otro uso que se les da a las arcillas es como material impermeabilizante en
canales,
que de manera similar que en los rellenos sanitarios se han obtenido
excelentes resultados.
29
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Cuando están presentes suelos moderadamente expansivos pocos profundos,
estos serán retirados y reemplazados por suelos menos expansivos y compactados
adecuadamente.
30
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
CAPÍTULO 3
DETERMINACION DE LOS SUELOS EXPANSIVOS MEDIANTE ENSAYOS
DE LABORATORIO EN EL SECTOR DE ESTUDIO.
3.1. INTRODUCCIÓN.
Los minerales de arcilla expansiva son comunes en los suelos residuales
tropicales. Dichas arcillas son generalmente las montmorilloníticas con índices de
plasticidad medios o altos, que cuando se encuentran por encima del nivel freático,
presentan un elevado grado de contracción al secarse y se expanden cuando se
humedecen, ejerciendo altas presiones que pueden causar daño a las estructuras al
tratar de levantarlas.
Los límites de Atterberg son indicadores del potencial de expansión de las
arcillas; el potencial de expansión generalmente aumenta con el límite líquido y el
índice de plasticidad. La curva de contracción volumétrica obtenida de un ensayo de
límite de contracción (Head, 1992) proporciona una estimación más directa, pero este
ensayo puede ser difícil de ejecutar adecuadamente en algunos suelos residuales.
Existen varios procedimientos que permiten determinar el potencial de
expansión de las arcillas, como veremos enseguida estos métodos son relativamente
recientes debido a que el estudio de los suelos se desarrolló en el pasado siglo; de
acuerdo con la bibliografía revisada casi todos los métodos de clasificación de los
suelos
expansivos
encontrados,
han
sido
desarrollados
por
investigadores
norteamericanos para sitios específicos de esa región.
3.2. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA IDENTIFICAR SUELOS EXPANSIVOS.
En esta sección se detallan los ensayos que fueron realizados en muestras
obtenidas de la zona de estudio, en base a Normas Cubanas que se encuentran en el
Anexo 1,.
31
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
3.2.1. ENSAYO DE HINCHAMIENTO LIBRE.
El objeto de esta prueba es determinar el hinchamiento relativo libre de una
muestra de suelo desde la humedad inicial hasta la humedad final, a continuación se
describe el procedimiento seguido para la ejecución de este ensayo.
Preparación de la muestra de ensayo.
Con la ayuda de un anillo se extrae una muestra inalterada de suelo, se
determina el peso de la muestra húmeda más el anillo (peso material húmedo más
anillo).
Procedimiento.
Sobre una piedra porosa en el interior del consolidómetro se traslada la
muestra del suelo desde el anillo, sobre la superficie de la muestra se coloca otra
piedra porosa, posteriormente se coloca el vástago del deformímetro sobre la
superficie piedra porosa y se ajusta la lectura en el deformímetro en 0.00 mm. Se
vierte agua para saturar a la muestra de abajo hacia arriba y eliminar el aire que
pueda tener la muestra. Una vez que se ha trasladado la muestra desde el anillo al
consolidómetro, se determina el peso del anillo, su alto y diámetro, tomando cuatro
lecturas de los dos últimos datos.
Se anota la fecha y la hora de comienzo del ensayo y se van anotando las
deformaciones que va sufriendo la muestra en los tiempos siguientes:
1 minuto
5 minutos
10 minutos
30 minutos
1 hora
2 horas
4 horas
8 horas
24 horas
48 horas
72 horas
96 horas
120 horas
Otros
32
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
El ensayo se considerará terminado cuando la lectura en el deformímetro no
varíe su magnitud en no más de 0.01 mm, en un tiempo de 24 h.
Concluido el ensayo se determina el peso de la muestra (peso material húmedo
más anillo). Posteriormente se coloca en una estufa durante 24 h, para luego
determinar el peso seco (peso material seco más anillo).
Este tipo de ensayo también se puede realizar en muestras compactadas a
diferentes contenidos de humedad (valores de la humedad inicial de la muestra
mayores a la humedad óptima del Proctor estándar) y a la misma densidad de Proctor
estándar. Los resultados de los ensayos en estas muestras indican que el tiempo de
estabilización de las muestras con mayor contenido de humedad que el óptimo de
Proctor estándar, es menor que el usado para que se estabilicen las muestras
compactadas en las condiciones de Proctor estándar.
Expresión de resultados.
El porcentaje de expansión libre se expresa de la siguiente manera:
S w( libre ) (%) =
Δh
(100)
h
donde:
Sw(libre) = expansión libre, como porcentaje.
Δh = altura de la expansión debido a la saturación.
h = altura original del espécimen.
Según la expresión anterior, el aumento de espesor expresado como
porcentaje del espesor original, se designa como expansión y es la medida del
máximo porcentaje de aumento en volumen, que puede esperarse que experimente el
material como consecuencia del aumento de su contenido de agua. En la tabla 3.1 se
indica el potencial de expansión de acuerdo a los resultados de las pruebas de
expansión libre (Ref. 3).
33
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Tabla 3.1.
Potencial de
∆h/h
expansión
(%)
Bajo
< 1.5
Medio
1.5 – 5
Alto
5 – 25
Muy alto
> 25
3.2.2. ENSAYO DE HINCHAMIENTO CONTROLADO.
Este ensayo se realizo en base a las Normas Cubanas que se encuentran en el
Anexo 1.
Con este ensayo se trata de determinar la carga con la cual se controla el
hinchamiento del suelo, y se basa en aplicar cargas axiales a la muestra de suelo
contenida en el interior del consolidómetro (edómetro), tratando de que no se
produzcan ni hinchamiento ni deformaciones.
Preparación de la muestra de ensayo.
Con la ayuda de un anillo se extrae una muestra inalterada de suelo, se
determina el peso de la muestra húmeda más el anillo (peso material húmedo más
anillo).
Procedimiento.
Se coloca la muestra en el interior del consolidómetro entre dos piedras
porosas, se instalan los elementos para inmovilizar a la muestra, se coloca el vástago
del deformímetro ajustando la lectura en el mismo en cero (una vez desocupado el
anillo de la muestra se determina su peso, altura y diámetro del mismo).
Posteriormente se aplica una carga igual o aproximada a la carga geológica y se
espera que la muestra se estabilice bajo esa carga, cuando se repitan tres veces la
misma lectura. Una vez estabilizada la deformación, se coloca nuevamente el
34
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
deformímetro en cero. El último valor de la deformación y de la carga geológica
utilizada se anotan.
Con el deformímetro en cero se vierte agua en el vaso del consolidómetro
hasta la altura de la piedra porosa inferior y se espera 5 min. aproximadamente hasta
que se sature la piedra, después se llena hasta la altura superior de la muestra y se
espera una hora, pasado este tiempo se rellena 2 ó 3 mm sobre el nivel de la muestra,
manteniéndose este nivel durante todo el ensayo.
Cuando se agregue el agua se observa inmediatamente el indicador de
deformación y cuando la muestra comience a hinchar se van aplicando cargas de tal
forma que el indicador de esfera se mantenga en cero.
Se recomienda las siguientes secuencias de presiones a aplicar, aunque estas
pudieran variarse de acuerdo a la muestra, tabla 3.2.
Tabla 3.2.
Unidades (kg/cm2)
0.1
1.25
2.75
5.50
0.2
1.50
3.00
6.00
0.25
1.75
3.50
7.00
0.5
2.00
4.00
8.00
0.75
2.25
4.50
9.00
1.00
2.50
5.00
A partir de que se pone la primera carga, se anotan el valor de la carga que se
aplica, la fecha y hora de inicio del ensayo, la presión que recibe la muestra y la
lectura del deformímetro y así cada vez que se aplica una nueva carga.
Al aplicar cada carga o incremento, se observa si el indicador de esfera registra
hinchamiento o deformación, estos no pueden ser mayores que ± 0.03 mm, por lo
que de sobrepasar este valor o bien se incrementa la carga o se le quita la última
carga que se adicionó.
El ensayo se considera terminado cuando la lectura del indicador de esfera no
sea mayor que 0.01 mm en un tiempo de 6 horas.
35
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Concluido el ensayo se determina el peso muestra (peso material húmedo más
anillo). Posteriormente se coloca en una estufa durante 24 h, para luego determinar el
peso seco (peso material seco más anillo). Con estos valores se calcula la humedad
final de la muestra.
Expresión de los resultados.
La presión de hinchamiento o presión de equilibrio corresponde al valor
máximo de presión (no se incluye la carga geológica). Esta presión obtenida al final, es
la medida de la fuerza por unidad de área que pueda producir el suelo en las
condiciones de expansión extrema.
Las presiones de expansión entre 20 – 30 kN/m2 se considera baja y una entre
1500 – 2500 kN/m2 se considera alta, según la Ref. 4.
3.2.3. OTRO TIPO DE ENSAYOS.
3.2.3.1. EXPANSIÓN LIBRE EN PROBETA.
Sivapullaiah y otros en 1987 (Ref. 4) sugirieron un nuevo método de prueba
para obtener un índice de expansión libre modificado para arcillas, que parece dar una
mejor indicación del potencial expansivo en suelos arcillosos.
Procedimiento.
El ensayo consisten en secar al aire o en horno una cantidad de material (se
recomienda 10gramos de material); la masa de suelo seco es bien pulverizado y se lo
hace pasar por el tamiz # 40, posteriormente es transferido a una probeta graduada de
100 cm3 (100 ml), para hacerlo sedimentar a través del agua contenida en la probeta.
Después de 24 horas, se mide el volumen del sedimento expandido.
Expresión de resultados.
El índice de expansión libre modificado se calcula con la siguiente expresión:
Índice de expansión libre modificado
=
V - VS
VS
donde:
36
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
V = volumen del suelo después de la expansión
WS
GS γ w
VS = volumen de sólidos del suelo =
WS = peso del suelo seco en horno
GS = peso específico de los sólidos del suelo
γw = peso específico del agua
Con base en el índice de expansión libre modificado, el potencial de expansión de
un suelo debe clasificarse cualitativamente como se indica en la tabla 3.3:
Tabla 3.3.
Índice de
expansión
Potencial de
expansión
libre modificado
< 2.5
Despreciable
2.5 a 10
Moderado
10 a 20
Alto
> 20
Muy alto
3.2.3.2. ENSAYO DEL DOBLE EDÓMETRO.
En el ensayo del doble edómetro (Jennings & Knight, 1957) uno de los
especimenes es saturado y se deja expandir hasta que alcance el equilibrio sin
aplicación de carga. Luego es consolidado con incrementos de carga y los
asentamientos son comparados con los obtenidos de ensayos sobre un espécimen
idéntico sin saturar.
En la práctica, cuando menos dos factores complican la aplicación directa de
las pruebas edométricas dobles para estimar la magnitud de la expansión. El primero
de estos es la imposibilidad virtual de obtener dos muestras idénticas y el segundo
factor, el más importante, es la lentitud con la que puede cambiar el contenido de agua
en el campo.
La seguridad de las predicciones basadas en la prueba depende no solamente
del grado en el cual la humedad inicial de las muestras concuerde con la humedad real
al principio de la construcción, sino también del grado en el que la humedad final en el
37
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
campo concuerde con la alcanzada por el espécimen, al que el agua tiene libre
acceso.
En estos ensayos es clave el uso de especimenes obtenidos a partir de
muestras de bloques de alta calidad, inalteradas y labradas a mano. Es esencial
prevenir la pérdida de humedad de las muestras entre su estado in situ y la iniciación
de los ensayos de laboratorio debido a que la succión en los poros es crítica.
3.3. CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS.
Los parámetros más comúnmente usados para la clasificación de suelos
expansivos son:
-
Límite liquido (LL)
-
Índice de plasticidad (IP)
-
Límite de contracción (LC)
-
Succión total natural del suelo
-
Fracción menor que 2μ, en peso
-
Ensayos físico-químicos.
Estos parámetros además de la humedad natural del suelo, relación de vacíos, y
resultados de los ensayos de expansión unidimensionales en consolidómetros (grado
de expansión libre y presión de expansión), permiten identificar el potencial de
expansión del suelo. Entre los diferentes métodos o procedimientos de clasificación de
suelos expansivos tenemos:
Vijayvergiya y Ghazzaly en 1973 (Ref. 4), analizaron resultados de pruebas de
hinchamiento libre y prepararon una carta que correlaciona la expansión libre, límite
líquido y contenido de agua natural, como se muestra en la figura 3.1.
38
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 3.1. Relación entre el porcentaje de expansión libre, límite líquido
y contenido de agua natural (según Vijayvergiya y Ghazzaly, 1973.)
El potencial de expansión de un suelo se relaciona con su índice de plasticidad. En
la tabla 3.4, se indica el potencial de expansión y los intervalos correspondientes del
índice de plasticidad (Ref. 3.)
Tabla 3.4. Relación entre el potencial de expansión del suelo
y el índice de plasticidad.
Potencial de
expansión
Índice de
plasticidad
(%)
Bajo
0 – 15
Marginal
10 – 35
Alto
20 – 55
Muy alto
35 o más
39
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
El potencial de expansión puede ser evaluado a partir de una relación empírica
basada en el índice de plasticidad, la succión en el suelo y el esfuerzo aplicado
(Brackley 1980). Sin embargo, dichas ecuaciones empíricas no están bien
establecidas y frecuentemente están basadas en un conjunto inadecuado de suelos o
ensayos válidos en el ámbito local.
La mayoría de las clasificaciones que existen se encuentran resumidas en la
tabla 3.5 y en la figura 3.2 (Ref. 4).
Tabla 3.5. Resumen de algunos criterios para identificar el potencial de expansión (según
Abduljauwad y Al-Sulaimani, 1993.)
REFERENCIA
CRITERIOS
OBSERVACIONES
CC > 28, IP > 35 y LC < 11 (muy alto)
20 ≤ CC ≤ 31, 25 ≤ IP ≤ 41y 7 ≤ LC ≤ 12
Holtz (1959)
(alto)
13 ≤ CC ≤ 23, 15 ≤ IP ≤ 28 y 10 ≤ LC ≤ 16
Basado en CC, IP y LC.
(medio)
CC ≤ 15, IP ≤ 18 Y LC ≥ 15 (bajo)
Con base en la prueba del
Seed y otros (1962)
Véase la figura 3.2a
edómetro usando un espécimen
compactado, porcentaje de arcilla
< 2μm y actividad.
Altmeyer (1955)
CL < 5, LC > 12 y EP < 0.5 (no crítica)
Con base en CL, LC y EP.
5 ≤ CL ≤ 8, 10 ≤ LC ≤ 12 y 0.5 ≤ EP ≤ 1.5
Muestra remoldeada (ρd(max) y
(marginal)
ωopt). Empapada bajo sobrecarga
CL > 8, LC < 10 Y EP > 1.5 (crítica)
de 6.9 kPa.
Véase la figura 3.2b
Basado en la carta de plasticidad.
Dakshanamanthy y
Raman (1973)
IP > 32 y IC > 40 (muy alto)
Raman (1967)
23 ≤ IP ≤ 32 y 30 ≤ IC ≤ 40 (alto)
12 ≤ IP ≤ 23 y 15 ≤ IC ≤ 30 (medio)
Basado en IP e IC.
IP < 12 y IC < 15 (bajo)
SL < 10 y PI > 30 (alto)
Sowers y Sowers (1970)
10 ≤ SL ≤ 12 y 15 ≤ PI ≤ 30 (moderado)
SL > 12 y PI < 15 (bajo)
Van Der Merwe (1964)
Véase la figura 3.2c
Poca expansión ocurrida cuando
ωo conduce a un IL de 0.25
Con base en IP, porcentaje de
arcilla < 2 μm y actividad.
40
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Con base en la prueba del
Uniform Bulding Code,
1968
IE > 130 (muy alto) y 91 ≤ IE ≤ 130 (alto)
edómetro
en
un
51 ≤ IE ≤ 90 (medio) y 21 ≤ IE ≤ 50 (bajo)
compactado
0 ≤ EI ≤ 20 (muy bajo)
saturación cercano a 50 % y una
con
espécimen
grado
de
sobre carga de 6.9 kPa.
LL > 60, IP > 35, τnat > 4 y PE > 1.5 (alto)
Snethen (1984)
EP
30 ≤ LL ≤ 60, 25 ≤ IP ≤ 35, 1.5 ≤ τnat ≤ 4 y
IP ≥ 35 (alto) y 20 ≤ IP ≤ 55 (alto)
10 ≤ IP ≤ 35 (medio) e IP ≤ 15 (bajo)
representativa
para
condición de campo, se usa sin
0.5 ≤ PE ≤ 1.5 (medio)
LL < 30, IP < 25, τnat < 1.5 y PE < 0.5 (bajo)
Chen (1988)
es
τnat, pero se reducirá la exactitud.
Basado en IP.
Con base en mediciones de
McKeen (1992)
Véase la figura 3.2d
pequeño
contenido
de
agua,
succión y cambio de volumen al
secarse.
Vijayvergiya y
Ghazzaly (1973)
Nayak y Christensen
(1974)
Weston (1980)
log PE = (1/2)(0.44LL - ωo + 5.5)
Ecuaciones empíricas.
PE = (0.00229 IP)(1.45 C)/ ωo + 6.38
Ecuaciones empíricas.
PE = 0.00411(LLw)4.17 q-3.86 ωo -2.33
Ecuaciones empíricas.
Nota:
C = arcilla, %
CC = contenido coloidal, %
%
IE = índice de expansión = 100 x porcentaje de
expansión x fracción que pasa la malla no. 4
IL = índice de liquidez, %
suelo
LL = límite líquido, %
LLw = Límite líquido pesado, %
CL = contracción lineal, %
IP = índice de plasticidad, %
EP = expansión probable, %
q = sobrecarga
IC = índice de contracción = LL – LC,
LC = límite de contracción, %
PE = potencial de expansión, %
ωo = contenido de agua natural del
ωopt = contenido de agua óptimo, %
τnat = succión natural del suelo en tsf
ρd(max) = densidad seca máx
41
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 3.2. Criterios comúnmente usados para determinar el potencial de expansión
(según Abduljauwad y Al-Sulaimani, 1993.)
El sistema de clasificación desarrollado por el U.S. Army Waterways
Experiment Station (Snethen y otros, 1977) es el más ampliamente usado en Estados
Unidos, en la tabla 3.6 se muestra resumido por O`Nelly y Poormoayed (1980) (Ref.
4).
42
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Tabla 3.6. Sistema de clasificación de suelos expansivos.
Límite
Índice de
Expansión
Clasificación de la
líquido
plasticidad
potencial
expansión potencial
< 50
< 25
< 0.5
Bajo
50 – 60
25 – 35
0.5 – 1.5
Marginal
> 60
> 35
> 1.5
Alta
Expansión potencial = expansión vertical bajo una presión igual a la presión de
sobrecarga.
Compilado de O´Neill y Poormoayed (1980).
Skempton (1953) observó que el índice de plasticidad de un suelo crece
linealmente con el porcentaje de la fracción de tamaño arcilloso presente en él, con
base en estos resultados estableció una clasificación basada en la actividad coloidal
(A) definida como:
A=
PI
C
en donde:
PI = índice de plasticidad, en porcentaje
C = es el porcentaje de partículas menores de 0.002 mm ( 2μ ), en peso.
La actividad se usa como un índice para identificar el potencial de expansión de
los suelos arcillosos ya que es una medida de los materiales para retener el agua.
Basado en el estudio de arcillas de Inglaterra propuso la siguiente la clasificación
(Tabla 3.7).
Tabla 3.7.
CLASIFICACIÓN
ACTIVIDAD
Inactivas
< 0.75
Normales
0.75 a 1.25
Activas
> 1.25
La universalidad de esta clasificación es muy cuestionable. Para suelos
tropicales muy pocas veces permite anticipar su alto poder expansivo. En la tabla 3.8
(Mitchell, 1976) se dan valores típicos de actividades para varios minerales arcillosos.
43
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Tabla 3.8.
MINERAL
ACTIVIDAD,
A
Esmectitas
1–7
Ilita
0.5 – 1
Caolinita
0.5
Haloisita (2H2O)
0.5
Holoisita (4H2O)
0.1
Atapulgita
0.5 – 1.2
Alófano
0.5 – 1.2
La actividad sugiere el tipo de mineral de arcilla presente en el suelo, así si la
arcilla es una caolinita (baja actividad, menor que uno), una montmorillonita (alta
actividad, mayor que cuatro) o una ilita (actividad intermedia). Para estudiar una
posible expansión en una arcilla se deben realizar ensayos de laboratorio con un
consolidómetro sobre especímenes inalterados. Dos pruebas comunes son la
expansión no restringida o expansión libre y la prueba de la presión de expansión.
3.4. IDENTIFICACION Y EVALUACION DE SUELOS EXPANSIVOS.
Método del Gradiente Mineral en la determinación del grado de expansión: Es un
método desarrollado por el Ing. Luís Marín Nieto, profesor de la Universidad de
Guayaquil. El autor propuso hace muchos años utilizar el método para el diagnóstico
del grado de expansión de un suelo. La explicación de este método de encuentra en el
Anexo 2.
T D H P T (Departamento de Carreteras de Texas): Basado en ensayos de
expansión sobre suelos compactados de Texas. El contenido inicial de humedad es
comparado con valores máximos (0.47 LL + 2) y mínimos (0.2 LL + 9) para evaluar el
porcentaje de cambio volumétrico. Este método puede sobreestimar la expansión en
suelos de baja plasticidad y subestimar la de suelos de alta plasticidad.
Ensayos Físico – Químicos: Se trata de la identificación de los minerales
arcillosos que requieren de equipos sofisticados con interpretación especializada;
la capacidad de intercambio catiónico (CEC) que miden la propiedad de un mineral
44
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
arcilloso de cambiar iones por cationes al tratarlos en solución acuosa, se basan
en altos CEC de las monmorillonitas y los bajos CEC de las caolinitas; y la
determinación de las sales disueltas en el agua de poros son importantes si existe
la posibilidad de que infiltren sales en el suelo en lugares con suelos tratados con
productos químicos. Son importantes en estos casos porque la presencia de sales
disueltas afecta la succión osmótica.
3.5. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS.
Los resultados corresponden a cuatro muestras que se tomaron en dos lugares
diferentes de la Parroquia Bellavista, el pozo 1 esta ubicado en las calles Francisco
Tamariz y General Morales; el pozo 2 esta en la Av. de las Américas (alrededores de
la Universidad Católica de Cuenca).
En la tabla 3.9 se indican los resultados obtenidos de los ensayos realizados en
el suelo que se encuentra en el sector de la Parroquia de Bellavista. En el Anexo 3 se
encuentran la ubicación de las muestras analizadas, también las normas seguidas
para la determinación de los distintos parámetros.
Tabla 3.9. Resumen de los resultados de los ensayos realizados.
PARAMETRO
POZO # 1
POZO# 2
ÍNDICE DE PLASTICIDAD (%)
13,96
30,89
1,07
2,11
LÍMITE LÍQUIDO (%)
36,00
56,50
HUMEDAD NATURAL (%)
17,17
29,50
2,352
2,646
SW LIBRE MÁX
(%) = ∆h/h
PRESIÓN DE EXPANSIÓN (Ton/m )
2
3.6. CONCLUSIONES PARCIALES.
De acuerdo con lo expuesto en este capitulo, en la tabla 3.10 se indica la
clasificación del suelo (potencial de expansión) por los distintos métodos:
45
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Tabla 3.10.
Tabla #
Pozo # 1
Pozo # 2
3.1.
Bajo
Medio
Bajo
Bajo
3.4.
Bajo
Marginal
3.5.
Bajo
Medio
3.6.
Bajo
Marginal
De acuerdo a la presión de expansión
En base a los resultados de la tabla 3.10, el potencial de expansión del suelo
del pozo 1 es bajo, mientras que del pozo 2 es bajo – medio.
46
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
CAPÍTULO 4
CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE CIMENTACIONES SOBRE SUELOS
EXPANSIVOS.
4.1. INTRODUCCIÓN.
La expansión da como resultado una reducción del esfuerzo efectivo (una
disminución en el esfuerzo total o un incremento en las presiones intersticiales) que
puede ocurrir en suelos saturados o parcialmente saturados. La magnitud total de la
expansión depende principalmente de:
a) La composición del suelo.
b) Su contenido inicial de agua, el rango de variación de la humedad en él y de la
cantidad de agua que pueda absorber en unas condiciones dadas. La
humedad de campo en el momento de la construcción y la humedad de
equilibrio que se alcanzará finalmente con la estructura terminada. Si la
humedad de equilibrio es considerablemente mayor que la humedad de campo,
y si el suelo tiene una elevada capacidad de expansión, puede ocurrir esta en
alto grado, evidenciada por el levantamiento del suelo o la estructura, o por el
desarrollo de grandes presiones de expansión. Si la humedad de equilibrio es
más baja que a la humedad de campo, el suelo no se expandirá, sino, por el
contrario, se contraerá.
c) El grado de compactación del suelo si se encuentra como material de
construcción, o de preconsolidación si se halla en estado natural, es diferente
el potencial de expansión de un suelo en estado natural y del mismo en estado
remoldeado. Una compactación relativamente elevada o una presión previa por
sobrecarga, favorecen la expansión cuando aumente el contenido de agua.
d) La magnitud y distribución de las presiones de confinamiento al que el material
quedará sujeto, después de que la construcción se termine. Cuando menor sea
la carga aplicada, mayor será la expansión.
El entumecimiento de una arcilla produce no sólo empujes verticales sobre una
estructura cimentada sobre ella, sino también en sentido horizontal. Tales fuerzas
ocasionan daños en muros y pisos de edificaciones, así como en tuberías enterradas.
47
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
En los pavimentos, la expansión de arcillas que constituyen el suelo de fundación
origina elevaciones o descensos de la superficie de rodamiento y diversas clases de
agrietamiento. Los daños en las losas de canales de irrigación pueden ser
particularmente severos.
En este capítulo se indican algunas recomendaciones que se deben tomar en
el caso que se vaya a construir sobre suelos expansivos, con el propósito de disminuir
el levantamiento del suelo y el efecto que este tiene en las estructuras.
4.2. CONSIDERACIONES DE CIMENTACIÓN PARA SUELOS EXPANSIVOS.
De acuerdo a la región y a su ciclo anual el suelo en una profundidad que varía
de algunos centímetros a posiblemente 6 metros, se expande y contrae. Donde no hay
interferencia con los procesos naturales, la superficie del terreno sube y baja, los
movimientos no producen dificultades y frecuentemente pasan inadvertidos. Por otra
parte una carretera relativamente impermeable que reduce la evaporación, o una
estructura que protege del sol y del calor, permiten que la humedad se acumule y que
el suelo se expanda, entonces los movimientos diferenciales se hacen notorios.
En la zona de variación de humedad, el suelo tiene una estructura en forma de
bloques y los fragmentos presentan juntas de resbalamiento. Debajo de esta zona, la
estructura es maciza e intacta y las juntas de resbalamiento son raras.
En la figura 4.1a, se muestra el daño típico a una estructura apoyada sobre
zapatas. El piso interior apoyado en el suelo gradualmente se eleva, toma la forma de
un domo irregular y se agrieta. La arcilla expansiva bajo el piso ejerce presión tanto
lateral como vertical, y por tanto inclina los muros de las zapatas hacia fuera, lo que
produce agrietamiento de los muros exteriores de la estructura, especialmente en la
esquinas. A veces aparecen daños en las conexiones entre los muros y el techo, o los
pisos, donde se restringe el movimiento. Para provocar grandes movimientos en el
suelo se debe acumular suficiente humedad que toma algún tiempo, por lo que los
efectos perjudiciales no aparecen inmediatamente después de la construcción, sino al
cabo de varios años.
48
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 4.1. Daños causados por expansión a) estructura típica apoyada en zapatas con losa de
piso (según Parcher y Means, 1968), b) Estructura típica apoyada en pilas con contratrabes en
contacto con el suelo expansivo.
Las cimentaciones más profundas, que apoyan la estructura por debajo de la
zona de variaciones estacionales de humedad pueden permanecer estables. Sin
embargo si las contratrabes en las cuales se apoyan tabiques o muros entre pilas, se
dejan en contacto con el suelo, este la empuja hacia arriba y se agrietan con se ve en
la figura 4.1b. Las instalaciones que permanecen sepultadas en el suelo, se someten a
movimientos verticales y laterales, por lo que están expuestas a romperse tuberías
que luego descargan agua en el suelo con lo cual aumenta su expansión.
A continuación se describen varios métodos para reducir o evitar la expansión y
sus efectos. Si el potencial de expansión de un suelo es bajo, el procedimiento para la
construcción de las cimentaciones es normal, lo que no sucede si el suelo tiene un alto
potencial expansivo, en donde se puede optar por:
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. La compactación para bajas densidades con
contenidos de agua en el lado húmedo de óptimo también puede usarse
(Gromko, 1974). La adición de cal, cemento, u otra mezcla reducirá o
eliminará el cambio de volumen del suelo al estar mojado o seco.
49
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
3. Reforzar las estructuras para resistir el levantamiento, construir estructuras
que sean lo suficientemente flexibles para resistir el levantamiento
diferencial del suelo sin fallar, o construir cimentaciones profundas aisladas
debajo de la profundidad de la zona activa o zona de variaciones y dejar
espacios entre el piso y el terreno para evitar que la expansión afecte la
estabilidad de las estructuras, es decir aislar la estructura de los materiales
expansivos.
En caso de ser necesario se pueden combinar varios procedimientos, aislar la
estructura del suelo es el método más usado.
4.2.1. REEMPLAZO DE UN SUELO EXPANSIVO.
En el caso en que el suelo sea moderadamente expansivo y poco profundo,
estos pueden ser retirados y reemplazados por suelos menos expansivos y
compactados adecuadamente.
Si se opta por remover una parte del estrato del suelo expansivo y sustituirlo
por un material adecuado, el espesor del suelo a remover podrá definirse de la
siguiente manera:
-
Se requieren muestras del suelo inalteradas extraídas a diferentes
profundidades y ensayarlas (con su contenido de agua natural) a pruebas de
expansión.
-
Las pruebas se realizarán bajos las cargas correspondientes a los esfuerzos
verticales que actuarán después de la construcción a las profundidades en las
que se recuperaron las muestras. Se agregará entonces agua para saturar los
especimenes y se medirán las expansiones resultantes.
-
Se calcularán las expansiones finales como porcentaje de la altura inicial del
espécimen y se dibujaran estos valores contra la profundidad. Ver ejemplo en
la figura 4.2a.
50
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 4.2. Estimación de la expansión total bajo la carga estructural
-
Se calculará la expansión total, la cual es igual al área A debajo de la curva
porcentaje de expansión versus profundidad. Figura 4.2a.
-
A partir de la curva porcentaje de expansión versus profundidad, se dibujará la
expansión total contra la profundidad. La expansión total a cualquier nivel es
igual al área A bajo la curva, abajo del nivel considerado. Figura 4.2a.
-
Para el valor de expansión total considerado aceptable, se leerá la profundidad
de excavación a la izquierda de la curva de expansión total versus profundidad
(ver el ejemplo de la figura 4.2b). El material removido se sustituirá por una
capa del mismo espesor de material volumétricamente estable (por ejemplo
grava – arena).
4.2.2. CAMBIO DE LA NATURALEZA DE UN SUELO EXPANSIVO.
COMPACTACIÓN.
El levantamiento de un suelo expansivo se reduce cuando el suelo es
compactado a un peso específico seco inferior del máximo en un 3 – 4 % del lado de
mayor humedad (Proctor estándar). En estas condiciones una losa sobre el terreno no
se recomienda cuando el levantamiento total probable sea aproximadamente de 38
mm (1.5 pulg.) o mayor.
51
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
PREHUMEDECIMIENTO.
Un procedimiento para incrementar el contenido de agua del suelo es mediante
embalse o inundación de la zona de construcción, con lo que se logra la mayor parte
del levantamiento antes de la construcción.
Este procedimiento es demorado ya que la infiltración del agua a través de
arcillas altamente plásticas es muy lenta a cualquier profundidad grande; además de
este inconveniente la falta de uniformidad de la penetración del agua en el campo
hace que este procedimiento rara vez sea efectivo. Por lo tanto, el procedimiento no es
recomendable.
En el caso de optar por este procedimiento después del embalse se
recomienda agregar un 4 – 5 % de cal hidratada a la capa superior del suelo para
hacerla menos plástica y más trabajable; también debe diseñarse un sistema para
mantener la humedad constante.
Si se va a usar una arcilla potencialmente expansiva como relleno sobre todo el
lugar de la obra, la compactación por medio de un equipo relativamente ligero, con una
humedad superior a la óptima puede reducir mucho la expansión. El grado de
compactación no debe exceder de 95 por ciento del máximo de la prueba Proctor
estándar. Debe comprenderse que un terraplén construido de acuerdo con estos
requisitos tendrá una capacidad de carga relativamente baja.
INSTALACIÓN DE BARRERAS DE AGUA.
El efecto del levantamiento diferencial a largo plazo se reduce controlando la
variación del agua en el suelo.
Esto se realiza colocando barreras verticales
impermeables para agua aproximadamente con 1.5 m (5 pies) de profundidad
alrededor del perímetro de las losas para el tipo de construcción “losa sobre el
terreno.” Estos drenajes se construyen en zanjas llenas con grava, concreto delgado o
membranas impermeables.
El uso de áreas pavimentadas también se usa para impedir que la humedad
aumente bajo los pisos y cimentaciones, de acuerdo con Ref. 6 se recomienda rodear
a la estructura de una banqueta impermeable, usualmente de un ancho de 4 ó 5 m. La
banqueta altera el régimen de humedad a una distancia limitada fuera del edificio, de
52
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
la misma manera como se altera dentro. Por lo tanto, la diferencia de comportamiento
en los bordes de la estructura se disminuye al mínimo. Se debe esperar que la
banqueta suba conforme el terreno se expanda. Deberá hacerse de preferencia de
concreto asfáltico para reducir el agrietamiento; las grietas que aparezcan, así como
las juntas alrededor del edificio, deberán sellarse periódicamente, especialmente antes
de la temporada de lluvias.
ESTABILIZACIÓN DEL SUELO.
La expansión interparticular, su magnitud y su dirección preferencial dependen
de la estructura u organización macroscópica del ensamble de los microagregados en
macroagregados de talla milimétrica de la arcilla. En general cuando la estructura del
suelo es más floculada, la expansión será más importante.
La estabilización química se realiza con cal y cemento. La estabilización
química de los suelos
expansivos por la adición de cal puede ser notablemente
efectiva., si la cal puede mezclarse íntimamente con el suelo y compactarse
aproximadamente con la humedad óptima. El porcentaje adecuado, que usualmente
varía de 3 a 8 %, se estima por medio de pruebas para determinar el pH, y se
comprueba por compactación, curado y la ejecución de pruebas en muestras en el
laboratorio. En la mayor parte de los casos, una mezcla que contenga
aproximadamente 5 % de cal es suficiente.
La cal o cemento y agua se mezclan con la capa superior del suelo y se
compacta, este procedimiento se realiza hasta 1 – 1.5 m (12 – 16 pies). La adicción de
cal o cemento disminuye el límite líquido, el índice de plasticidad y por lo tanto las
características de expansión del suelo. La cal hidratada de alto calcio y la cal de
dolomita se usan para la estabilización con cal. La necesidad de hacer una mezcla
íntima, restringe la aplicabilidad general de la estabilización con cal en los terraplenes.
Otro método es la inyección a presión de lechada de cal o de lechada de cal y
ceniza volátil hasta una profundidad de 4 – 5 m (12 – 16 pies) y a veces a mayor
profundidad para cubrir la zona activa. En algunos lugares, la inyección a presión de
lechada de cal en arcillas muy fisuradas, parece crear en la arcilla fragmentos de una
película estabilizada, que impide a la humedad entrar en los fragmentos y reducir la
expansión. Dependiendo de las condiciones del suelo se planean inyecciones simples
o múltiples como se muestra en la figura 4.3.
53
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 4.3. Planeación de inyecciones múltiples de lechada de cal para el asiento de un
edificio.
EFECTOS DE LA ADICCIÓN DE ÓXIDO DE CALCIO SOBRE LOS SUELOS
EXPANSIVOS.
En esta parte se presentaran los resultados experimentales sobre suelos
expansivos de la Provincia de Manabí (Ref. 5).
-
Efectos sobre la granulometría: La adición de cal transforma a la arcilla en un
suelo de granulometría más gruesa, clara, liviana y más compactable. Estos
fenómenos se producen por la hidratación de la cal viva con consumo del agua
intersticial del suelo. Vershasselt dice “... el hidróxido de calcio se disuelve en
aproximadamente 1.4 g por litro en agua de los intersticios y reacciona con los
minerales arcillosos cediendo iones de calcio e hidroxilo...”
-
Efectos sobre la cohesión C y el ángulo de fricción φ: Rosa (Ref. 5) indica que
existe un gran y manifiesto mejoramiento de estos valores físico – mecánicos.
-
Efectos sobre la expansión libre y sobre la presión de expansión: En la figura
4.4 se presentan las relaciones expansión libre versus tiempo y presión de
expansión versus tiempo para un determinado espécimen de suelo (Ref. 5), en
condición virgen y con condiciones de cal viva en porcentajes variables.
54
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 4.4.
Se puede notar la influencia que tiene la adición de cal viva sobre la expansión
libre y sobre la presión de expansión.
-
Efecto sobre los Límites de consistencia: El Límite de plasticidad aumenta con
el incremento del porcentaje de cal en la arcilla, mientras que el límite de
liquidez puede disminuir.
4.2.3. ESTRUCTURAS REFORZADAS PARA RESISTIR EL LEVANTAMIENTO.
Las estructuras capaces de permanecer inmunes y sin distorsión a pesar de
estar apoyadas directamente en suelos expansivos, deben poseer gran resistencia y
rigidez . Las estructuras muy pequeñas pueden proyectarse para satisfacer estos
requisitos, manteniendo los esfuerzos dentro valores admisibles, aunque se haya
supuesto que todo el edificio va a estar apoyado sólo en un área central igual a la
mitad del área de la planta de la estructura o que va estar apoyado solamente en la
mitad periférica del área de su planta , excluyendo el área central. Evidentemente el
proyecto realizado de esta manera da por resultado una construcción costosa.
En la mayor parte de las estructuras grandes tiene poca ventaja económica,
evitar cimentaciones de pilas u otras cimentaciones profundas, en vista del costo que
tiene que dar a la superestructura la resistencia y rigidez adicionales requeridas para
55
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
resistir la expansión desigual. Por lo tanto, rara vez vale la pena tratar de proyectar
una estructura que soporte los efectos de la expansión.
4.3. CONSTRUCCIÓN SOBRE SUELOS EXPANSIVOS.
La cimentación de una estructura debe diseñarse para eliminar en lo posible los
agrietamientos que puedan producirse en la fundación y en la superestructura. Debe
construirse con las técnicas, materiales y personal disponible en la zona, o con
tecnologías que puedan adaptarse fácilmente a las condiciones locales.
La cimentación debe construirse en lo posible utilizando técnicas que permitan
mantener una humedad equilibrada en el terreno, y de ser posible el área a cubrir se
debe ejecutar inmediatamente después de la temporada de lluvias o preferentemente
al término de la misma.
En la tabla 4.1 se muestran algunos procedimientos de construcción
recomendados sobre arcillas expansivas basados en el levantamiento total predicho,
ΔS, y la razón de la longitud del muro (L) a la altura de los panales del muro (H), (Ref.
6).
Tabla 4.1. Procedimientos de construcción para suelos de arcilla expansivos a
Levantamiento
predicho o estimado
Construcción
total (mm)
Recomendada
L/H =1.25
L/H = 2.5
0 a 6.35
12.7
6.35 a
12.7 a
12.7
50.8
Ninguna
precaución
Construcción
rígida que tolere
movimiento
(refuerzo de acero
según sea
necesario)
Método
Observaciones
-----------
-------------
Cimentaciones:
Zapatas
Zapatas corridas
Losa reticulada
Losas de piso:
Reticulada
Baldosa
Muros:
Las zapatas deben ser pequeñas y
profundas,
consistentes con la capacidad de
carga del suelo.
Las losas reticuladas deben resistir
flexión.
Las losas deben diseñarse para
resistir flexión
y deben ser independientes de las
vigas de cimentación.
Los muros sobre una losa reticulada
deben
ser tan flexibles
como la losa.
Ninguna (no usar) conexión rígida
vertical.
Paredes de ladrillo deben reforzarse
con barras o bandas
56
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Construcción que
amortigüe
movimiento
12.7 a
50.8 a
50.8
101.6
Construcción
independiente de
movimiento
a
Juntas:
Libre (sencilla)
Flexible
Muros:
Flexible
Construcción
unitaria
Marco de acero
Cimentaciones:
Tres puntos
Celular
Gatos mecánicos
Contactos entre unidades
estructurales deben evitarse; material
flexible o impermeable debe
insertarse en la juntas.
Los muros o unidades rectangulares
de la construcción deben levantarse
como una unidad.
Las cimentaciones celulares permiten
ligera expansión del suelo para
reducir presión de expansión.
Los gatos ajustables son
inconvenientes a los propietarios.
Carga de tres puntos permite el
movimiento sin dureza.
Cimentación con
pilas perforadas:
Pila recta
Fondo con
campana
Deben usarse pilas de diámetro
mínimo y amplio espaciamiento
compatible con la carga colocada.
Debe permitirse holgura bajo las
> 50.8
> 101.6
vigas de cimentación.
Los pisos deben apoyarse sobre las
vigas de cimentación 305 a 460 mm
Piso suspendido:
por arriba del suelo.
Según Gromko, 1974 ( JOURNAL OF THE GEOTECHNICAL ENGINEERING DIVISION. Volumen
100, junio 1974.)
El sistema de fundación más adecuado depende de muchos factores tales
como: profundidad de la zona activa (la profundidad de la zona activa se define como
la mayor distancia en la cual ocurren cambios en el contenido de humedad y en
expansión debido a cambios en el clima y del ambiente después de la construcción de
la cimentación), clima, tipo de estructura, uso de la estructura, profundidad del nivel
freático, potencial expansivo del suelo. Dentro de las soluciones posibles tenemos:
4.3.1. CIMIENTOS SUPERFICIALES AISLADOS O CONTINUOS.
Pueden utilizarse en áreas de baja potencialidad de expansión donde las
distorsiones predecibles (Δ/L) estén en el orden 1/600 a 1/1000, o se calculen
movimientos totales inferiores a 1 cm, para movimientos mayores a los anteriores las
estructuras livianas soportadas por este tipo de cimientos presentan agrietamientos.
En todas circunstancias es aconsejable amarrar la cimentación en ambos sentidos
mediante vigas diseñadas para tomar desplazamientos causados por sismos de
acuerdo con el código local, y desplazamientos diferenciales del orden de ½ cm por
asentamientos o hinchamiento.
57
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Este tipo de solución se usa en suelos expansivos cuando la capa expansiva
tiene un potencial muy bajo, o cuando la capa es tan delgada que se puede
económicamente colocar la cimentación sobre un estrato inferior no expansible. En
este caso el piso de la edificación puede o bien suspenderse sobre un vacío por
encima de la capa que puede sufrir asentamientos, o construirse directamente sobre el
terreno pero dilatando completamente la placa de los muros ya que esta tenderá a
agrietarse al sufrir el hinchamiento. Las paredes divisorias que no están apoyadas
sobre la cimentación o bien se cuelgan de la losa superior con capacidad de aceptar
movimiento en la parte inferior, o se colocan sobre la placa de piso y se permite que
jueguen libremente en la parte superior mediante una junta flexible o un molde que
permite movimiento libre.
SÓTANOS.
a.- Paredes.
Se puede cimentar directamente sobre los suelos si la presión aplicada es alta. Sin
embargo si la capa activa es grande dado el tamaño muy reducido de la base del muro
es muy probable que los movimientos sean considerables ya que el bulbo de
presiones no es muy profundo. Se limitan los movimientos únicamente en la zona del
bulbo.
b.- Vacíos.
Para aumentar la presión se puede construir una zapata con los elementos como
casetones que permitan el contacto en puntos determinados.
c.- Presión lateral.
La presión lateral en las paredes del sótano puede ser tan alta como la presión pasiva
si el suelo es expansivo, si su compactación es alta y si esta se hace con contenidos
de humedad por debajo del óptimo. Se debe hacer un análisis estructural apropiado
para tomar estas cargas horizontales, las cuales se transmitirán a la estructura si las
paredes están unidas a ella. Si la estructura no está diseñada para estas cargas, se
deben dar un soporte independiente a la misma y dilatar de la estructura el muro en
sentido horizontal y vertical.
DISEÑO.
58
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Los cimientos de calcularán para las presiones verticales y horizontales con los
procedimientos normales para el cálculo de zapatas aisladas o continuas, teniendo en
cuenta las presiones de hinchamiento si las hay.
En el caso de que la solución sea una zapata, la presión de contacto suelo –
cimiento necesaria para controlar la expansión del suelo puede estimarse a partir de la
siguiente ecuación empírica:
log10 ps = 2.132 + 2.08·LL + 0.665·γd – 2.69 w0
donde
ps = presión de contacto necesaria, en kg/cm2
LL = límite líquido del suelo
γd = peso volumétrico seco del suelo, en g/cm3
w0 = contenido de agua natural del suelo.
4.3.2
LOSAS O PLACAS DE CIMENTACIÓN.
Losas rigidizadas de cimentación pueden construirse en áreas en las cuales el
movimiento diferencial pueda alcanzar hasta 8 cm. Las vigas de rigidez de estas losas
reducen sustancialmente las distorsiones. El tamaño y espaciamiento de las vigas
depende de los movimientos esperados en el subsuelo. Algunas recomendaciones
para estas estructuras aparecen en la tabla 4.2 (Ref. 7.)
Tabla 4.2.
MOVIMIENTO DIFERENCIAL
PREVISIBLE
(cm)
TIPO DE
LOSA
PROFUNDIDAD
ESPACIAMIENTO
VIGA
VIGA
(cm)
(m)
1a2
Ligera
40 a 50
4a6
2a4
Media
50 a 60
3.5 a 4
4a8
Pesada
60 a 75
3a4
En la tabla 4.1 se propone el uso de losas reticuladas o nervadas como
alternativa al diseñar edificios rígidos capaces de tolerar movimiento, en la figura 4.5
se muestra una losa de este tipo. En este tipo de construcciones, las nervaduras
59
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
soportan la carga estructural, y los espacios entre nervaduras permiten la expansión
del suelo.
Figura 4.5. Losa reticulada.
Cuando las distorsiones son mayores a 1/600 y la profundidad de la capa
activa es muy grande o intermedia ( < 8m, o ente 2 y 4 m ), las losas de cimentación
rigidizadas son un sistema económico de aplicación de cargas. La rigidez de las losas
minimiza la distorsión de la superestructura ya permite una redistribución de presiones
por empujes diferenciales.
a.- Efectos de vigas de rigidez.
La rigidez de las vigas, de la losa y la superestructura aumentan la rigidez de la
cimentación y disminuyen los movimientos diferenciales.
b.- Capas no expandibles.
La colocación de una capa de espesor apreciable (más de 20 cm) de material no
expansivo encima del suelo original produce dos efectos beneficiosos que consisten
en permitir aumentar la sobrecarga al terreno, y permite perfilar el terreno para mejorar
el drenaje. La capa debe poseer cierta cohesión para permitir la excavación de las
vigas de rigidez y servir de formaleta para las mismas.
DISEÑO.
a.- Convencional reforzada.
Para estructuras muy livianas, losas de 10 a 15 cm de espesor son construidas con
vigas diseñadas de acuerdo con el movimiento diferencial predecible tal como se
explicó en el párrafo anterior. El ancho de las vigas varía entre 20 y 30 cm. Se deben
colocar juntas de construcción a intervalos no mayores a 40 m y juntas frías a
intervalos no mayores a 20 m.
60
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
b.- Postensionales.
Losas
de
fundación
postensionadas
son
generalmente
más
resistentes
al
fracturamiento que una losa reforzada convencionalmente con sección equivalente.
c.- Losas o placas mayores ( d ≥ 60 cm ).
Se calculan generalmente utilizando procedimientos de vigas sobre una fundación
elástica, o elementos finitos. Debido a la indeterminación de las losas generalmente se
utiliza igual cuantía de hierro positivo y negativo lo que generalmente implica
sobrediseñarlas. Se debe consultar un ingeniero estructural al respecto.
4.3.3. CIMENTACIONES PROFUNDAS: PILOTES O PILAROTES.
Se utilizan generalmente en los siguientes casos:
a.- Cuando la excavación para una losa en un estrato es difícil, o su excavación pone
en peligro la estabilidad de construcciones vecinas, o crea asentamientos indeseables
en las mismas.
b.- Para una zona activa mayor que 4 m generalmente es más económica una
solución sobre pilas que una losa rigidizada, excepto para los casos en que la zona
activa es mayor a 10 m.
c.- Si el hinchamiento diferencial es muy grande ( > 10 cm ), o las distorsiones Δ/L
exceden 1/250, es preferible una solución de pilas a losas, especialmente en suelos no
uniformes donde las losas pueden inclinarse considerablemente.
En la tabla 4.1 se sugiere el uso de cimentaciones con pilas perforadas con una
losa de piso suspendida para la construcción de estructuras independientes del
movimiento. En la figura 4.6a se indica un esquema de esta solución.
61
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 4.6. (a) Construcción de pilas perforadas con campanas y viga de cimentación;
(b) definición de los parámetros de la ecuación para hallar la fuerza de levantamiento U
DISEÑO.
a. Base.
La base de las pilas debe estar por debajo del suelo expansivo, es decir por
debajo de la capa activa, y al menos 3 diámetros de la campana por encima de
estratos muy compresibles o inestables. Si la base se coloca por encima de la zona
activa, en vez de solucionar el problema se puede agravar al concentrar los esfuerzos
de hinchamiento sobre unos pocos puntos aumentando las distorsiones.
b. Acampanamiento.
Donde los problemas de expansión sean agudos se ha venido haciendo incluso
para apoyar viviendas familiares, construir pilas coladas en el lugar, mismas que
terminan con campanas que usualmente tiene una inclinación que hace 30º con la
vertical, pero puede llevarse hasta 45º con la vertical, las que funcionan como anclas,
en materiales en los que no están sujetos a movimientos estacionales importantes. El
concreto con que se llenan las perforaciones se refuerza en toda su longitud,
incluyendo en tramo en campana, debido al suelo, que de acuerdo a su cambio de
volumen puede crear fuerzas de tensión en las pilas.
Las pilas se unen a contratrabes de concreto reforzado que, a su vez, soportan
toda la estructura, incluyendo los pisos. Como la presión del suelo expansivo contra el
lecho inferior de los contratrabes , o contra los pisos en contacto con él, produce
62
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
grandes fuerzas hacia arriba, deberán dejarse dispositivos para evitar el contacto o
para eliminar la transmisión de fuerzas de compresión cuando se produzca la
expansión. Esto se suele solucionar empleando moldes de cartón o de otro material
quebradizo, sobre el cual se pueda colar el concreto, pero que se rompa a cargas
solamente un poco mayores que el peso del concreto fresco. Los detalles de estos
proyectos se muestran en la figura 4.7.
Figura 4.7. Detalles de construcción proyectados para evitar que los suelos expansivos
obren directamente en las contratrabes y pisos según Jennings y Henkel, 1949.
PLANTA
Contratrabe de concreto reforzado
Espacio libre
Pilas
Zona de cambios volumetricos
estacionarios
Campanas
En algunos casos, la zona de variaciones estacionales de humedad se
extiende a una profundidad mayor que la zona en donde pueden perforarse los
agujeros económicamente, las pilas se desplantan a un nivel más alto. Como la arcilla
que se encuentra en la zona de los cambios de humedad probablemente tenga
muchas superficies de resbalamiento, los intentos para formar las campanas en estas
pilas puede ser que no tenga éxito, debido a que los bloque comprendidos entre
superficies de resbalamiento se caen. Los retrasos en formar las campanas y colar el
concreto, o la presencia de hasta un pequeña humedad que se filtre a lo largo de las
juntas, agrava la dificultad.
Aún cuando las contratrabes y pisos de una estructura no estén sujetos a
fuerzas de levantamiento, el suelo expansivo tiende a sujetar a las pilas y a
63
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
levantarlas. Para el diseño de las pilas, la fuerza de levantamiento, U, se estima (figura
4.6b) con la ecuación:
U = πDs ZpT tan φ ps
donde:
Ds = diámetro del pilote
Z = profundidad de la zona activa
φps = ángulo efectivo de fricción entre zócalo y suelo, mayormente varía entre
10º y 20º
pT = presión para expansión horizontal nula ( pT = p0 + ps + p1 ),
obtenida de laboratorio
En caso de no tener resultados de laboratorio pT tan φps, se considera igual a
la resistencia cortante no drenada de la arcilla, Cu, en la zona activa.
La parte acampanada del pilote actúa como ancla para resistir la fuerza de
levantamiento. Despreciando el peso de la pila:
Qneta = U - D
donde:
Qneta = carga neta de levantamiento
D = carga muerta
Por otro lado:
Qneta =
CuNc ⎛ π ⎞ 2
2
⎜ ⎟( Db − Ds )
FS ⎝ 4 ⎠
donde:
Cu = cohesión no drenada de la arcilla en que la campana se localiza.
Igualando las ecuaciones anteriores se tiene:
U −D=
CuNc ⎛ π ⎞ 2
2
⎜ ⎟( Db − Ds )
FS ⎝ 4 ⎠
donde:
Nc = factor de capacidad de carga
64
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
FS = factor de seguridad deseado
Ds = diámetro de la campana del pilote perforado
Con esta expresión puede calcularse el diámetro necesario de la campana para
anclar la pila. Conservadoramente Nc es
1 ⎞
NqB ⎞
⎛
⎛
Nc ≈ Nc ( franja ) Fcs = Nc ( franja ) ⎜1 +
⎟ = 6.14
⎟ ≈ 5.14⎜1 +
NcL ⎠
⎝ 5.14 ⎠
⎝
Para mantener la fuerza de levantamiento en un mínimo, se le da al cuerpo de
la pila el menor diámetro que sea práctico, pero no menos de un tercio
aproximadamente del diámetro de la campana.
El espaciamiento mínimo entre las pilas debe ser de ocho veces el diámetro de
la pila para evitar el efecto de las pilas adyacentes. La cimentación deberá distribuirse
de manera que cada pila soporte la carga muerta máxima posible; y las presiones en
el suelo para las cargas en la base de la pila, deberán aplicarse sólo con el factor de
seguridad mínimo aceptable; de esta manera, las presiones en la base se utilizan en
todo lo posible para contrarrestar la tendencia a la expansión. Si existe la probabilidad
de expansión antes de que se aplique la carga muerta de la superestructura, deberá
utilizarse un factor de seguridad de cuando menos 1.0, para calcular el riesgo de que
se levante la pila que no se ha cargado.
La adherencia entre el suelo y la pila puede reducirse, haciendo las
perforaciones de un diámetro 10 cm mayor que el del cuerpo, excavando y colando la
campana y finalmente ademando dicho cuerpo con molde de cartón. El espacio entre
el molde y la perforación puede llenarse con materiales que no tengan gran resistencia
al esfuerzo cortante.
FALLAS Y SUS CAUSAS.
La mayoría de las fallas en cimentaciones profundas en suelos expansivos son
atribuibles a defectos de construcción tales como: cambios en la humedad del terreno
por el uso de líquido de soporte en la excavación, estrangulamiento de la pila por
derrumbamiento de las paredes, segregación del concreto, falta de espacio entre las
vigas de entre piso y el terreno, fuerzas laterales producidas por la reptación de
taludes.
65
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN.
Dependiendo del tipo de terreno la pila puede o bien excavarse en seco sin
soporte lateral (suelos que no se derrumban), excavarse con revestimiento en seco
(suelos que se derrumban), o excavación con líquido de soporte bentonítico. Este
último puede ser perjudicial si el nivel práctico es profundo, ya que se alteran las
condiciones de humedad de la base.
La pila debe reforzarse en toda longitud. El concreto debe tener un
asentamiento alto con una resistencia adecuada (usualmente 210 kg/cm2) para evitar
la segregación y la formación de estrangulamientos o vacíos.
66
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES.
-
La influencia de varios factores como la variación de la humedad en el campo,
el grado de compactación del terreno, los esfuerzos a los que se someterá el
suelo, y otros, introduce grandes incertidumbres en la predicción de la
expansión de un suelo, en una obra específica.
-
Las pruebas de expansión realzadas de manera que simulen lo mejor posible
las condiciones previstas pueden proporcionar también informaciones útiles.
La experiencia local es la mejor guía.
-
Se estableció que el suelo estudiado tiene un potencial de expansión bajo.
-
Si las pruebas de expansión libre y expansión controlada indican algún grado
de expansión, el suelo debe considerarse sospechoso; ya que al no contar con
una clasificación estricta que ayude a catalogarlo se vuelve difícil tomar
decisiones constructivas adecuadas.
67
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
5.2. RECOMENDACIONES.
-
Sustituir la parte superior del suelo expansivo (50 cm.) por material granular a
una compactación del 95 % del obtenido con el Proctor Estándar.
-
Ante cualquier vestigio o huella de expansividad de un suelo, se deberá tomar
las medidas necesarias en cuanto a la cimentación y superestructura de la
obra.
-
Utilizar losas rigidizadas de cimentación. Las vigas de rigidez reducen
sustancialmente las distorsiones. El tamaño y espaciamiento de las vigas
depende de los movimientos esperados en el subsuelo.
-
La expansión puede evitarse presaturando el suelo, aunque esto pueda dar
lugar al asentamiento por consolidación convencional con un incremento de
carga.
-
Aplicar el principio de los tratamientos químicos que consisten en la saturación
de la capacidad de intercambio catiónico del suelo que puede lograrse de
manera eficiente y económica con cal, cloruro de potasio, o productos
amoniacales de bajo costo, utilizados normalmente como fertilizantes.
-
La presencia de cementantes (cal, cemento, etc.) inhibe la expansión de un
suelo, ella puede ser sobreestimada si las muestras analizadas han perdido
resistencia cementante debido a la alteración durante el muestreo.
-
Para determinar las propiedades del mineral arcilloso de un suelo expansivo
de una manera más precisa se puede utilizar los microscopios electrónicos.
68
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
-
Realizar ensayos a humedades en las que se encontrará el suelo en la etapa
de servicio de la superestructura, ya que sus resultados influyen en la
elección, diseño y construcción de las cimentaciones.
69
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ANEXO 1
70
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
NORMA CUBANA
Materiales y Productos de la Construcción Suelos
NC 54-306
Año 1985
ENSAYO DE HINCHAMIENTO LIBRE.
Esta norma establece el procedimiento de ensayo, para determinar el valor del
hinchamiento relativo libre.
1.
1.1.
Términos y definiciones.
Hinchamiento. Propiedad que tienen los suelos de aumenta su volumen al
contacto con el agua.
2.
Aparatos, utensilios y medios de medición.
Equipo de hinchamiento compuesto de:
-
Cubeta
-
Placa metálica perforada (base)
-
Patas para soporte de defómetro
-
Defómetro con 0.01 mm de sensibilidad y 11 mm de recorrido
-
Anillo de ensayo de 10 mm., de altura y de 57 mm., de diámetro con
suplemento biselado
-
Placa plástica perforadora de igual diámetro que el anillo (véase en el
Cuadro D)
-
Cronómetro
-
Balanza de 311 g de capacidad con error máximo dé 0,01 g
-
Papel de filtro
-
Agua destilada
-
Estufa graduada hasta 110 °C
-
Desecadora
-
Cuchillo de hoja plana y dura
-
Pesafiltro de aluminio cuya masa (tara) sea verificada cada 6 meses
-
Grasa fina
71
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
3.
-
Humedífero
-
Pie de rey.
Preparación de la muestra de ensayo.
Las muestras a ensayar pueden ser inalteradas o alteradas.
3.1. Muestras inalteradas. A la muestra de suelo se le elimina 1 cm., en su parte
superior y se alisa la superficie con el cuchillo.
3.1.1. Se unta con una capa muy fina de grasa el interior del anillo y se coloca con el
borde biselado sobre la superficie alisada de la muestra.
3.1.2. Se elimina el suelo que está alrededor del anillo a medida que penetre. Se le
hace presión con los dedos y se presiona uniformemente sin que el anillo se alabee.
La muestra se corta por debajo del anillo. Con el cuchillo de hoja recta se enrasan las
caras de la muestra con los bordes del anillo.
3.1.3. Se determina la masa del conjunto muestra de suelo húmedo más anillo,
anotándose este valor en el modelo del Cuadro A donde dice: masa húmeda más tara,
en el cuadro de humedad inicial.
3.2. Muestras alteradas. Conocida la humedad y la densidad que se requiere para
ensayar se elaborarán dos probetas según NC 54-142:85 “Materiales y productos de la
construcción. Suelos. Compactación estática”, en el anillo de ensayo.
3.2.1 Se determina la masa del conjunto muestra de suelo húmedo mas anillo,
anotándose este valor en el modelo del Cuadro A, donde dice masa húmeda más tara,
en el cuadro de humedad inicial.
4. Procedimiento.
4.1. Sobre la base del aparato se coloca un papel de filtro húmedo y encima de éste se
coloca el anillo con el bisel hacia arriba y la muestra en su interior, colocándosele el
suplemento del anillo.
4.2. Sobre la superficie de la muestra se le coloca un papel de filtro húmedo y sobre
éste la placa plástica perforada.
72
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
4.3. Se hace coincidir el vástago del. defómetro con la superficie de la placa plástica y
se ajusta la lectura en 0,00 mm.
4.4. Se vierte agua destilada o agua tomada en el lugar en la cubeta hasta el nivel
superior de la muestra para que la saturación sea de abajo hacia arriba y se elimine el
aire que pueda tener la muestra.
4.5 Se anota en el modelo la fecha y la hora de comienzo del ensayo y se van
anotando las deformaciones que va sufriendo la muestra en los tiempos siguientes:
1
minuto
5
minutos
10
minutos
30
minutos
1
hora
2
horas
4
horas
8
horas
24
horas
48
horas
72
horas
96
horas
120
horas
Otros
4.6. El ensayo se considerará terminado cuando la lectura del defómetro, no varíe su
magnitud en no mas de 0,01 mm., en un tiempo de 24 h.
4.7. Concluido el ensayo se vacía la cubeta y se desmonta el equipó, se le retiran los
papeles de filtro y se le elimina la humedad superficial de la muestra.
4.8. Se calcula el anillo sin el suplemento con la muestra en su interior, dentro de un
pesa filtro y se raspa cuidadosamente la pared interior del suplemento, de modo que
los restos del suelo caigan al interior del pesa filtro.
73
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
4.9. Se determina la masa del conjunto anillo, muestra, pesafiltro y se anota en el
modelo del Cuadro A donde dice masa húmeda más tara en el cuadro de humedad
final.
4.10. Se destapa y se coloca en la estufa durante 24 h; pasado este tiempo se extrae,
se tapa y se coloca en la desecadora hasta que se enfríen. Se determina la masa seca
y se anota este valor en el modelo del Cuadro A donde dice masa seca más tara, en el
cuadro de humedad final.
4.11. El ensayo se realiza por duplicado.
5. Expresión de resultados.
5.1. Métodos de cálculo (Cuadro A).
Se identifica la muestra, señalando si el ensayo es natural o remoldeado, así como el
aparato y el anillo utilizado.
5.1.1. Altura inicial de la muestra (hi) en mm.
Este valor se obtiene de la altura del anillo sin el suplemento, midiéndola en cuatro
puntos opuestos y tomando como valor, la media aritmética. Este valor debe
verificarse cada 6 meses.
5.1.2. Tara en g (T).
La tara inicial es el peso del anillo sin el suplemento.
La tara final es el peso del anillo sin el suplemento más el pesa filtro.
5.1.3. Masa húmeda inicial en g (Wh inicial).
Se obtiene restándole la tara inicial a la masa húmeda inicial más tara.
Whinicial = (Whinicial + T ) − T
5.1.4. Masa húmeda final en g (Wh final).
Se obtiene restándole la tara final a la masa húmeda final más tara.
Wh final = (Wh final + T ) − T
74
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
5.1.5. Masa seca en g (Ws).
Se obtiene restándole la tara final a la masa seca final más tara.
WS = (WS + T ) − T
5.1.6. Masa de agua inicial en g (Wω inicial).
Este valor se obtiene restándole la masa seca a la masa húmeda inicial.
Wω inicial = Wω inicial − WS
5.1.7. Masa de agua final en g (Wω final).
Este valor se obtiene restándole la masa seca a la masa húmeda final.
Wω final = Wω final − WS
5.1.8. Humedad inicial en por ciento (ω inicial).
Se obtiene de dividir la masa del agua inicial entre la masa seca y multiplicando por
100.
ω inicial =
Wω inicial
* 100
WS
5.1.9. Humedad final en por ciento (ω final).
Se obtiene de dividir la masa seca y multiplicando por 100.
ω final =
Wω final
WS
* 100
5.1.10. Columna de hinchamiento en por ciento (δ).
Se obtiene de dividir las deformaciones obtenidas durante el ensayo en milímetro entre
la altura inicial de la muestra en milímetro y multiplicado por cien.
δ=
Δh
x100
h
Como valor de índice de hinchamiento relativo libre, se toma el promedio aritmético del
valor máximo de δ de las dos determinaciones.
75
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
δ MAX
⎛ Δh
⎞ ⎛ Δh
⎞
x100 ⎟ + ⎜
x100 ⎟
⎜
h
⎠ ⎝ h
⎠
=⎝
2
5.1.11. Solo se podrá promediar los dos ensayos cuando entre ellos no tengan más de
un 3% en δ de 0 a 15% y no más de 5% en δ mayor de 15%, de sobrepasar estos
valores se repetirá todo el ensayo con dos muestras nuevas.
5.2. Método de cálculo (Cuadro B).
Se identifica la muestra, así como el equipo y anillo utilizado.
5.2.1. Diámetro de la muestra en cm.
Este valor se obtiene del diámetro del anillo, midiéndolo en cuatro puntos opuestos y
tomándose como valor, la media aritmética. Este valor debe verificarse cada seis
meses.
5.2.2. Área de la muestra en cm2.
Se obtiene a partir del diámetro del anillo según:
A=
π d2
4
5.2.3. Altura final de la muestra en cm (hf).
Se determina sumándole a la altura inicial el valor máximo de Δh.
hf = hi + Δ hmáx
5.2.4. Volumen inicial de la muestra en cm3 (Vi).
Se obtiene de multiplicar el área de la muestra por la altura inicial.
Vi = A hi
5.2.5. Volumen final de la muestra en cm3 (Vf).
Se obtiene este valor multiplicando el área de la muestra por la altura final.
Vf = A hf
76
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
5.2.6. Densidad húmeda inicial en kg/m3 ( γ fi).
Se obtiene de dividir la masa húmeda inicial en gramos, entre el volumen inicial y
multiplicado por mil para llevarlo a kg/m3
γfi =
Wh i
Vi
1000 ( Kgf / cm 3 )
5.2.7. Densidad húmeda final en kg/m3 ( γ ff).
Se obtiene de dividir la masa húmeda final en gramos, entre el volumen final y
multiplicado por mil para llevarlo a kg/m3.
γff =
Wh f
Vf
1000 ( Kgf / cm 3 )
5.2.8. Densidad seca inicial en kg/m3 (γ di).
Se determina mediante las formulas siguientes:
γdi =
γ f i 100
WS
1000 ( Kgf / cm 3 ) ó γ d i =
Vi
100 + Wi
5.2.9. Densidad seca final en kg/m3 (γ df).
Se determina mediante las formulas siguientes:
γd f =
γ f f 100
WS
1000 ( Kgf / cm 3 ) ó γ d f =
Vf
100 + W f
5.2.10. Relación de vacíos inicial ( ei ).
Se determina mediante las formulas:
ei =
γs
−1
γ di
ó ei =
(Vi − γ s ) − W s
WS
5.2.11. Relación de vacíos final ( ef ).
Se determina mediante las formulas:
ef =
γs
−1 ó
γd f
ef =
(V f − γ s ) − Ws
WS
5.2.12. Saturación inicial en por ciento ( Si ).
Se determina mediante:
77
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ωi
Si =
γS
γω
ei
5.2.13. Saturación final en por ciento ( Sf ).
ωf
Sf =
γS
γω
ef
donde:
γ s peso específico del suelo (g/cm3)
γ ω densidad del agua tomándose convencionalmente 1 g/cm3.
5.2.14. Promedios iniciales y finales.
Se promediarán los valores obtenidos en los dos ensayos siempre que no excedan los
valores siguientes:
Humedad
± 2%
Densidad
50 kg / cm 3
5.3. Método de cálculo (Cuadro C).
Se identifica la muestra con el equipo y el anillo utilizado.
5.3.1. Se grafican los valores de la columna
Δh
con cada tiempo correspondiente en el
h
gráfico de hinchamiento libre contra el logaritmo de tiempo, indicándose los dos
ensayos en el mismo gráfico.
5.4. Aproximación de los resultados.
Los resultados obtenidos se dan aproximados hasta la centésima.
78
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
NORMA CUBANA
Materiales y Productos de la Construcción
Suelos
ENSAYO DE HINCHAMIENTO CONTROLADO.
Esta norma establece el procedimiento para determinar la carga con la cual se
controla el hinchamiento en los suelos, y se basa en aplicar cargas axiales a
una muestra de suelo contenida en un anillo confinada lateralmente, tratando
de que no se produzcan ni hinchamiento ni deformaciones.
1. Términos y definiciones.
Hinchamiento. Propiedad que tienen los suelos de aumenta su volumen al
1.1.
contacto con el agua.
1.2.
Deformación. Propiedad que tienen los .suelos de cambiar su estado actual
bajo una tensi6n impuesta.
2. Aparatos, utensilios y medios de medición.
-
Consolidómetro
-
Anillos muestreadores con bordes biselados con iguales dimensiones
que los anillos de los consolidómetros
-
Balanza con límite superior de medición igual a 0.311 Kg. con error máximo
permisible de 0.01 g.
-
Estufa eléctrica con regulación automática de temperatura hasta 110°C.
-
Pesa filtros de aluminio
-
Cuchillo de hoja recta y dura
-
Desecadora
-
Humedífero
-
Piedras porosas de iguales diámetros que los anillos de ensayos.
3. Procedimiento.
3.1. Preparación de la muestra de ensayo. Las muestras a ensayar pueden ser
inalteradas o alteradas.
3.1.1. Muestras inalteradas. A la muestra de suelo se le elimina 1 cm., en su parte
superior y se alisa la superficie con el cuchillo.
79
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Se coloca el anillo con el borde biselado sobre la superficie emparejada de la muestra.
Se elimina el suelo que está alrededor del anillo a medida que se va introduciendo y
con los dedos se le hace presión para que el anillo penetre dentro de la muestra sin
que el anillo gire. Se coloca el anillo de ensayo sobre el anillo muestreador haciendo
coincidir correctamente las paredes interiores de ambos a fin de que pase la muestra
al anillo de ensayo.
Cuando la muestra ocupe la mitad de la altura del anillo de ensayo, se corta el suelo 2
ó 3 cm por debajo del anillo muestreador y se coloca en esa parte una piedra porosa,
se presiona hasta que la muestra salga 5 mm encima del anillo de ensayo.
Se enrasa una cara de la muestra con el borde del anillo de ensayo y se le coloca una
piedra porosa sobre la cara enrasada y se presiona hasta que la piedra porosa
coincida con el borde del anillo, o sea, que quede enrasada con el anillo.
Se elimina el anillo muestreador y la parte sobrante de la otra cara se enrasa también
con el borde del anillo de ensayo, utilizando para ello el cuchillo de hoja recta y dura.
Se extrae la piedra porosa y se le determina la masa de la muestra con el anillo ,
anotándose el valor en el modelo de ensayo donde dice, “Masa húmeda más tara” la
columna de datos iniciales en el Cuadro A.
3.1.2. Muestras alteradas. Conocida la humedad y la densidad según la NC 54-140:78
“Suelos. Determinación de la humedad”, y la NC 54-166:78 “Suelos. Determinación de
la densidad natural” respectivamente, que se requiere para ensayar, se elaboran las
muestras según la NC 54-142:78 “Suelos. Compactación estática”.
Una vez elaborada la muestra se la determina la masa de la muestra con el anillo y se
le coloca el valor según el Cuadro A, donde dice “Masa húmeda más tara”. En la
columna de datos iniciales del Cuadro.
3.2. Determinación.
3.2.1. Muestras alteradas. Se coloca el anillo con la muestra en su interior dentro del
vaso del consolidómetro y se instalan los elementos para colocar los indicadores de
esfera. Se hace contacto de los elementos con el vaso del anillo, tratando de que el
80
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
brazo de palanca quede perfectamente horizontal. El contacto tiene que ser lo más
firme y rígido posible, sin que la muestra sufra ninguna aplicación de carga.
Cuando se ha obtenido el contacto se instalan los indicadores de esfera poniendo la
lectura en cero.
3.2.2. Muestras inalteradas. Se realiza lo que se establece en el apartado 3.2.1 y
posteriormente se le aplica una carga igual o aproximada a la geológica y se espera
hasta que la muestra se estabilice bajo esa carga, mediante el gráfico logaritmo del
tiempo contra deformación, se coloca nuevamente el indicador de esfera en cero. El
último valor de deformación, así como la carga geológica utilizada de la estabilización
se anota en los lugares establecidos para los mismo en el modelo del Cuadro A.
3.3. Con el indicador de esfera en cero tanto para las muestras alteradas como para
las inalteradas, se vierte agua para el análisis según la NC 21-01:72 “Agua para
análisis” o preferiblemente del lugar de la muestra , en el vaso del consolidómetro
hasta la altura de la piedra porosa inferior y se espera 5 min aproximadamente hasta
que se sature la piedra, después se llena hasta el nivel superior de la muestra y se
espera 1h, pasado ese tiempo se rellena 2 o 3 mm sobre el nivel de la muestra
manteniéndose este nivel hasta el final del ensayo.
3.4. Inmediatamente que se agregue el agua se observa el indicador de esfera y
cuando la muestra comience a hinchar se le van aplicando cargas de forma tal que el
indicador de esfera se mantenga en cero.
3.5. Se recomienda las siguientes secuencias de presiones a aplicar, aunque estas
pudieran variarse de acuerdo a la muestra.
Tabla
Unidades
Kg/cm2
0.10
1.25
2.75
5.50
0.10
1.50
3.00
6.00
0.25
1.75
3.50
7.00
0.50
2.00
4.00
8.00
0.75
2.25
4.50
9.00
1.00
2.50
5.00
81
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
3.6. A partir de que se pone la primera carga de control se anota en las columnas
correspondientes, la fecha y hora, así como la carga que se aplica, la presión que
recibe la muestra y la lectura del indicador de esfera y así sucesivamente se va
anotando esté cada vez que se pone una carga.
3.7. Al aplicar cada carga o incremento, se observa si el indicador de esfera registra
hinchamiento o deformación, éstos no pueden ser mayores que ± 0.03 mm, por lo
que de sobrepasar este valor, o bien se incrementa la carga o se le quita la última
carga que se adicionó.
3.8. El ensayo se considera terminado, cuando el indicador de esfera no sea mayor
que 0.01mm, en un tiempo de 6h.
3.9. Concluido el ensayo se desmonta el equipo y se coloca la muestra con el anillo
dentro de un pesafiltro y se le determina la masa, anotándose este valor en el modelo
del Cuadro A, en la columna de datos finales, donde dice: “Masa húmeda más tara”.
3.10. Se destapa el pesafiltro con la muestra en su interior y se le coloca en la estufa a
110°C durante 24h, pasado este tiempo se extrae, se tapa y se le coloca dentro de
una desecadora hasta que se enfríe y se le determina su masa seca, anotándose
dicho valor en el Cuadro A, en la columna correspondiente a “Masa seca más tara”.
3.11. Se identifica la muestra anotándose el equipo y el anillo utilizado, así como la
masa del anillo. También se señala si la muestra es alterada o inalterada.
4. Expresión de los resultados.
4.1. Métodos para los cálculos.
4.1.1. La masa húmeda inicial (Whi) se calcula mediante la fórmula siguiente:
Whi = (Whi + Tinicial ) − Tinicial
(g)
donde:
Tinicial
masa del anillo ( g )
4.1.2. La masa húmeda final (Whf) se calcula mediante la fórmula siguiente:
Whf = (Whf + T final ) − T final
(g)
donde:
T final
masa del anillo + masa del pesafiltro
(g )
82
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
4.1.3. La masa seca (WS) se calcula mediante la fórmula siguiente:
WS = (WS + T final ) − T final
(g)
4.1.4. La masa de agua inicial (Wωi) se calcula mediante la fórmula siguiente:
Wω i = Whi − WS
(g)
4.1.5. La masa de agua final (Wωf) se calcula mediante la fórmula siguiente:
Wω f = Wh f − WS
4.1.6. La humedad (ωi) inicial se calcula mediante la fórmula siguiente:
ωi =
Wω i
WS
(%)
* 100
4.1.7. La humedad final (ωf) se calcula mediante la fórmula siguiente:
ωi =
Wω f
WS
(%)
* 100
4.1.8. La altura inicial de la muestra (hi) se calcula restándole la altura de la piedra
porosa a la altura del anillo; hi se dará en cm.
4.1.9. La altura final de la muestra (hf) se calcula restándole a la altura inicial de la
muestra (hi) el último valor de deformación obtenido con la carga geológica, más la
deformación del equipo con su carga.
4.1.10. El volumen inicial de la muestra (Vi) se calcula mediante la fórmula siguiente:
Vi = hi A
(cm 3 )
donde:
A
área interior del anillo (cm2).
4.1.11. El volumen final de la muestra (Vf) se calcula mediante la siguiente fórmula:
Vf = hf A
(cm 3 )
83
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
4.1.12. La densidad húmeda inicial (γ f i ) se calcula mediante la siguiente fórmula:
γfi =
Wh i
1000 ( Kgf / cm 3 )
Vi
4.1.13. La densidad húmeda final (γ f f ) se calcula mediante la siguiente fórmula:
γf
f
=
Wh f
1000 ( Kgf / cm 3 )
Vf
4.1.14. La densidad seca inicial (γ d i ) se calcula mediante la siguiente fórmula:
γdi =
WS
1000 ( Kgf / cm 3 )
Vi
4.1.15. La densidad seca final (γ d f ) se calcula mediante la siguiente fórmula:
γd f =
WS
1000 ( Kgf / cm 3 )
Vf
4.1.16. La relación de vacíos inicial (ei) se calcula mediante las siguientes fórmulas:
ei =
γs
−1
γdi
ei =
o
(Vi − γ s ) − Ws
WS
donde:
γs
peso específico del suelo; se calcula según la NC 54-143:78 “Suelos.
Determinación del peso específico”.
4.1.17. La relación de vacíos final (ef) se calcula mediante las fórmulas siguientes:
ef =
γs
−1 o
γd f
ef =
(V f − γ s ) − Ws
WS
4.1.18. La saturación inicial (Si) se calcula mediante la siguiente fórmula:
ωi
Si =
γS
γω
ei
(%)
donde:
γω
densidad del agua; se considera igual a 1 g / cm3.
84
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
4.1.19. La saturación final (Sf) se calcula mediante la siguiente fórmula:
ωf
Sf =
γS
γω
ef
(%)
4.1.20. La presión de hinchamiento (σ / h) corresponde al valor máximo de presión (no
se incluye la carga geológica).
4.2. Una vez finalizado el ensayo y valiéndonos de los resultados del mismo y que se
recogen en el modelo del Cuadro A, se realiza lo que se establece en el Cuadro B.
85
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ANEXO 2
86
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
APLICACIÓN DEL GRADIENTE MINERAL EN LA DETERMINACIÓN DEL
GRADO DE EXPANSIÓN
Se describirá brevemente el concepto del gradiente mineral y su relación con la
raíz mineral y la aplicación de la Carta de Gradiente Mineral para determinar el Grado
de Expansión de un suelo. En los años 1980, investigaciones del autor se destinaron a
buscar una correlación entre el grado de expansión potencial y los Límites de
Atterberg, como un método sencillo y de poco costo para el diagnóstico del potencial
expansivo de los suelo. Como resultado de sus investigaciones encontró que la
relación WL : Ip, a la que llamó Gradiente mineral, expresaba el contenido del mineral
predominante, y por tanto su potencial expansivo.
EL GRADIENTE MINERAL ( WL : Ip )
Un suelo originado en una región geotécnica dada, se localiza en la Carta de
Plasticidad, mediante fajas limitadas entre dos valores extremos de Límites de
Atterberg. Las variaciones de sus propiedades a lo largo de esta faja obedecen a las
heterogeneidades naturales de los terrenos, particularmente en su textura, grado de
humedad, meterorización, etc. Sin embargo la raíz mineral varía muy poco.
Estas fajas consideradas de forma lineal, tiene una inclinación respecto al eje
x-x de la Carta de Plasticidad. Si se extrapolara la dirección de la faja, ella cortaría al
eje x-x en un valor determinado, definiendo así una línea en el cuadrante WL : Ip. El
Gradiente Mineral es la cotangente de esta línea.
En las figuras 1 y 2 se indican las fajas de algunos suelos importantes en el
mundo y en el Ecuador, así como de los minerales principales de los suelos. Las
figuras 3 y 4 son la versión no-lineal de la Carta de Plasticidad indicando las mismas
fajas delas figuras 1 y 2. El tipo de cada suelo mostrado en las figuras de detalla a
continuación:
1.- Montmorillonita
2.- Illita
3.- Caolinita
5.- Lutitas F. Progreso, Guayas
6.- Cenizas volcánicas meteorizadas. Cuenca del Guayas
7- Esquistos meteorizados Guarumales, Río Paute
87
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
8.- Granodiorita muy meteorizada. F. Pascuales
11.- Arcilla de la Ciudad de México
12.- Terrazas del Rió Bulubulu
13.- Basalto muy meteorizado. I. San Cristiobal
14.- Arcilla de Guayaquil.
Figuras 1,2,3,4.
En la figura 5 se representa la Carta del Gradiente Mineral para el diagnóstico
del potencial expansivo de los suelos arcillosos.
88
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
Figura 5.
La correlación entre el Gradiente Mineral y el contenido del mineral
predominante permite ubicar en la Carta del Gradiente Mineral los suelos de acuerdo a
su potencial expansivo.
Esta carta ha sido utilizada para determinar el potencial expansivo de aquellos
suelos que habían causado graves daños al revestimiento de grandes canales
revestidos , no solo en el país sino en otros lugares del mundo.
89
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ANEXO 3
90
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN
PROYECTO:
SECTOR:
PROCEDENCIA:
POZO:
ESTUDIO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS DE CUENCA
PARROQUIA BELLAVISTA
ALREDEDORES DE LA FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
DE LA UNVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA
FECHA:
25-May-05
1
MUESTRA:
1
TIPO DE MUESTRA:
PROFUNDIDAD:
0,6 m
ALTERADA
GRANULOMETRÍA ( ASTM D422-63)
TAMIZ
PESO RETENIDO
PARCIAL
PESO RETENIDO
ACUMULADO
% RETENIDO
% PASA
100
3"
2 1/2"
2"
1 1/2"
1"
3/4"
1/2"
3/8"
Nº 4
0,00
0
PASA Nº 4
426,73
100
Nº 10
11,50
3
97
Nº 40
39,50
9
91
Nº 200
74,20
17
83
PASA Nº 200
426,73
83
TOTAL
426,73
CUARTEO (PESO)
ANTES:
500,00
gr
DESPUÉS:
74,50
gr
GRAVA:
0
%
ARENA:
17
%
FINOS:
83
%
91
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
LÍMITES DE ATTERBERG
Nº GOLPES
PESO HÚMEDO
PESO SECO
PESO TARRO
% DE HUMEDAD
% PROMEDIO
CONTENIDO DE HUMEDAD
--
58,10
52,61
21,18
17,47
--
60,43
54,87
21,90
16,86
17,17
LÍMITE LÍQUIDO (ASTM D423-66)
32
40,35
33,12
12,24
34,63
27
34,59
28,71
12,32
35,88
19
37,66
30,82
12,22
36,77
16
36,85
30,10
12,23
37,77
12
37,47
30,29
12,21
39,71
--
18,26
17,17
12,14
21,67
--
16,73
15,97
12,41
21,35
--
16,79
15,93
12,18
22,93
--
17,23
16,34
12,33
22,19
LÍMITE PLÁSTICO (ASTM D424-59)
22,04
HUMEDAD vs. # DE GOLPES
40,00
39,00
38,00
37,00
36,00
35,00
34,00
10
15
20
25
30
35
# DE GOLPES
HUMEDAD NATURAL:
17,17 %
S.U.C.S.
CL
LÍMITE LÍQUIDO:
36,00 %
A.A.S.T.H.O
A-6
LÍMITE PLÁSTICO:
22,04 %
ÍNDICE DE GRUPO:
11
ÍNDICE DE PLASTICIDAD:
13,96 %
CLASIFICACIÓN
92
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
PROYECTO:
SECTOR:
PROCEDENCIA:
POZO:
ENSAYO DE HINCHAMIENTO LIBRE
ESTUDIO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS DE CUENCA
PARROQUIA BELLAVISTA
ALREDEDORES DE LA FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
DE LA UNVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA
FECHA: 25-May-05
1
MUESTRA:
TIPO DE MUESTRA:
APARATO N:
ALTURA INICIAL DE
0,6 m
INALTERADA
CONSOLIDÓMETRO # 1
ANILLO N:
DIÁMETRO
DE
LA
MUESTRA :
23,400 mm
LA MUESTRA ( h ) :
FECHA
PROFUNDIDAD:
1
INICIAL
62,375
mm
HUMEDAD
Material húmedo más
anillo:
239,70 gr
Material seco más anillo:
169,87 gr
Material húmedo (Wh):
130,00 gr
Material seco (Ws):
88,47 gr
Anillo (a):
109,70 gr
Peso de agua (Ww):
41,53 gr
FINAL
212,10
gr
169,87
gr
130,70
gr
88,47
gr
81,40
gr
42,23
gr
w = ( Ww / Ws )·100
46,94%
47,73%
AREA:
TIEMPO DE ENSAYO
DIA
HORA
MINUTO
TOT. MIN.
DEF
Dh ( mm
)
HORA
5
30,557
cm2
Sw=Dh / h
(%)
25-May-05
16h03
0
0
0
0
0,000
0,000
25-May-05
16h06
0
0
3
3
0,100
0,427
25-May-05
16h08
0
0
5
5
0,120
0,513
25-May-05
16h13
0
0
10
10
0,152
0,650
25-May-05
16h23
0
0
20
20
0,174
0,744
25-May-05
16h33
0
0
30
30
0,186
0,795
25-May-05
17h03
0
1
0
60
0,192
0,821
25-May-05
17h51
0
1
48
108
0,198
0,846
26-May-05
8h30
0
4
23
263
0,228
0,974
26-May-05
9h50
0
5
47
347
0,228
0,974
26-May-05
16h10
1
0
7
1447
0,222
0,949
30-May-05
8h10
4
16
7
6727
0,250
1,068
30-May-05
17h23
5
1
20
7280
0,250
1,068
31-May-05
9h30
17
27
8247
0,250
1,068
ÍNDICE DE
HINCHAMIENTO
S W ( LIBRE ) MÁX
5
Δh
=
⋅ 100
h
SW LIBRE MÁX =
1,068 %
RELATIVO LIBRE:
93
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
GRAFICO DE HINCHAMIENTO RELATIVO LIBRE CONTRA LOGARITMO DE
TIEMPO
1,200
1,000
Δ
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
1
10
100
1000
10000
Lo g tiempo (min)
94
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ENSAYO DE HINCHAMIENTO CONTROLADO O PRESIÓN DE EXPANSIÓN
POZO:
PROYECTO:
SECTOR:
ESTUDIO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS DE CUENCA
PARROQUIA BELLAVISTA
PROCEDENCIA:
ALREDEDORES DE LA FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
DE LA UNVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA
25-MayFECHA:
05
1
MUESTRA:
PROFUNDIDAD:
2
TIPO DE MUESTRA:
APARATO N:
INALTERADA
CONSOLIDÓMETRO # 1
ALTURA INICIAL
DE
LA MUESTRA ( hi )
:
ANILLO N:
DIÁMETRO
DE
LA MUESTRA
:
23,575 mm
63,150
mm
HUMEDAD
INICIAL
FINAL
Material húmedo más anillo:
246,60 gr
226,18 gr
Material seco más anillo:
166,00 gr
166,00 gr
Material húmedo (Wh):
132,25 gr
147,23 gr
Material seco (Ws):
87,05 gr
87,05 gr
Anillo (a):
114,35 gr
78,95 gr
Peso de agua (Ww):
45,20 gr
60,18 gr
ω = ( Ww / Ws )·100
51,92%
69,13%
CARGA
31,321
cm2
Sw=Δh /
h
FECHA
HORA
( min )
( kgf )
Δh ( mm )
(%)
31-May-05
11h47
0
0
0,000
0,000
0,000
31-May-05
11h50
3
4,42
0,141
0,110
0,467
31-May-05
11h55
8
5,89
0,188
0,054
0,229
31-May-05
12h09
22
7,37
0,235
0,032
0,136
31-May-05
15h30
223
7,37
0,235
0,010
0,042
01-Jun-05
8h30
1243
7,37
0,235
0,010
0,042
01-Jun-05
PRESIÓN DE
15h00
1633
7,37
0,235
0,010
0,042
0,235
kgf / cm2
σ =
TIEMPO
2
AREA:
PRESIÓN
( kgf /
cm2 )
EXPANSIÓN:
0,6 m
DEFORMACIÓN
95
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN
1,000
Δ
0,750
0,500
0,250
0,000
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
P resió n ( kg/cm2)
ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN
Presión de expansión = 0,235 kg/cm2
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,000
1
10
100
1000
10000
Lo g tiempo (min)
96
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ENSAYOS DE CLASIFICACIÓN
PROYECTO:
SECTOR:
ESTUDIO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS DE CUENCA
PARROQUIA BELLAVISTA
PROCEDENCIA:
CALLE FRANCISCO TAMARIZ Y CALLE GENERAL MORALES
FECHA:
POZO:
1
MUESTRA:
25-May-05
PROFUNDIDAD:
1
TIPO DE MUESTRA:
0,6 m
ALTERADA
GRANULOMETRÍA ( ASTM D422-63)
PESO
RETENIDO
ACUMULADO
% RETENIDO
% PASA
2"
0,00
0
100
1 1/2"
2378,00
6
94
TAMIZ
PESO
RETENIDO
PARCIAL
3"
2 1/2"
1"
3171,00
8
92
3/4"
4360,00
11
89
1/2"
4757,00
12
88
3/8"
5946,00
15
85
Nº 4
6739,00
17
83
PASA Nº 4
32901,00
83
Nº 10
6,00
18
Nº 40
18,10
20
80
Nº 200
66,30
28
72
433,70
72
PASA Nº 200
TOTAL
82
39640
CUARTEO (PESO)
ANTES:
500,00
gr
DESPUÉS:
66,30
gr
GRAVA:
17
%
ARENA:
11
%
FINOS:
72
%
97
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
LÍMITES DE ATTERBERG
Nº GOLPES
PESO HÚMEDO
PESO SECO
PESO TARRO
% DE HUMEDAD
--
39,12
31,32
5,22
29,89
--
41,96
33,60
4,88
29,11
39
14,87
11,55
5,25
52,70
30
15,12
11,41
4,70
55,29
20
14,65
11,20
5,25
57,98
11
14,88
11,13
4,88
60,00
% PROMEDIO
CONTENIDO DE HUMEDAD
29,50
LÍMITE LÍQUIDO (ASTM D423-66)
LÍMITE PLÁSTICO (ASTM D424-59)
--
7,87
7,22
4,64
25,19
--
8,19
7,58
5,22
25,85
--
7,88
7,31
5,10
25,79
25,61
--
HUMEDAD vs. # DE GOLPES
61,00
60,00
59,00
58,00
57,00
56,00
55,00
54,00
53,00
52,00
10
15
20
25
30
35
40
45
# DE GOLP ES
HUMEDAD NATURAL:
CLASIFICACIÓN
S.U.C.S.
CH
A.A.S.T.H.O
A-7-6
ÍNDICE DE GRUPO:
22
29,50 %
LÍMITE LÍQUIDO:
56,50 %
LÍMITE PLÁSTICO:
25,61 %
ÍNDICE DE PLASTICIDAD:
30,89 %
98
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ENSAYO DE HINCHAMIENTO LIBRE
POZO:
PROYECTO:
SECTOR:
ESTUDIO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS DE CUENCA
PARROQUIA BELLAVISTA
PROCEDENCIA:
CALLE FRANCISCO TAMARIZ Y
CALLE GENERAL MORALES
FECHA: 25-May-05
1
MUESTRA:
TIPO DE MUESTRA:
APARATO N:
ALTURA INICIAL DE
ANILLO N:
DIÁMETRO
DE
LA
MUESTRA :
23,800 mm
0,6 m
INALTERADA
CONSOLIDÓMETRO # 2
LA MUESTRA ( hi ) :
FECHA
PROFUNDIDAD:
1
INICIAL
63,075
mm
HUMEDAD
Material húmedo más
anillo:
247,80 gr
Material seco más anillo:
180,60 gr
Material húmedo (Wh):
139,70 gr
Material seco (Ws):
100,20 gr
Anillo (a):
108,10 gr
80,40 gr
Peso de agua (Ww):
39,50 gr
45,60 gr
ω = ( Ww / Ws )·100
39,42%
45,51%
4
AREA:
FINAL
226,20
gr
180,60
gr
145,80
gr
100,20
gr
TIEMPO DE ENSAYO
DIA
HORA
MINUTO
TOT. MIN.
DEF
Δh (
mm )
HORA
31,247
cm2
Sw=Δh
/h
(%)
25-May-05
16h03
0
0
0
0
0,000
0,000
25-May-05
16h06
0
0
3
3
0,190
0,798
25-May-05
16h08
0
0
5
5
0,196
0,824
25-May-05
16h13
0
0
10
10
0,260
1,092
25-May-05
16h23
0
0
20
20
0,290
1,218
25-May-05
16h33
0
0
30
30
0,326
1,370
25-May-05
17h03
0
1
0
60
0,370
1,555
25-May-05
17h51
0
1
48
108
0,402
1,689
26-May-05
8h30
0
4
23
263
0,446
1,874
26-May-05
9h50
0
5
47
347
0,490
2,059
26-May-05
16h10
1
0
7
1447
0,498
2,092
30-May-05
8h10
4
Δh
=
⋅ 100
h
16
7
6727
0,502
2,109
ÍNDICE DE
HINCHAMIENTO
S W ( LIBRE ) MÁX
SW LIBRE MÁX =
2,109 %
RELATIVO LIBRE:
99
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
GRAFICO DE HINCHAMIENTO RELATIVO LIBRE CONTRA LOGARITMO DE TIEMPO
2,500
Expansión, Sw = h/h (%)
2,000
1,500
1,000
0,500
0,000
1
10
100
1000
10000
Log tiempo (min)
100
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ENSAYO DE HINCHAMIENTO CONTROLADO O PRESIÓN DE EXPANSIÓN
PROYECTO:
SECTOR:
PROCEDENCIA:
ESTUDIO DE LOS SUELOS EXPANSIVOS DE
CUENCA
PARROQUIA BELLAVISTA
CALLE FRANCISCO TAMARIZ Y
CALLE GENERAL MORALES
25-May05
FECHA:
POZO:
1
MUESTRA:
PROFUNDIDAD:
2
TIPO DE MUESTRA:
APARATO N:
INALTERADA
CONSOLIDÓMETRO # 2
ALTURA INICIAL
DE
LA MUESTRA ( hi )
:
ANILLO N:
23,675 mm
DIÁMETRO
DE
LA MUESTRA
:
63,275
mm
INICIAL
FINAL
HUMEDAD
FECHA
HORA
Material húmedo más anillo:
252,80 gr
225,15 gr
Material seco más anillo:
177,06 gr
177,06 gr
Material húmedo (Wh):
139,55 gr
144,62 gr
Material seco (Ws):
96,53 gr
96,53 gr
Anillo (a):
113,25 gr
80,53 gr
Peso de agua (Ww):
43,02 gr
48,09 gr
ω = ( Ww / Ws )·100
44,57%
49,82%
TIEMPO
CARGA
( min )
( kgf )
PRESIÓN
( kgf /
cm2 )
1
31,445
cm2
AREA:
DEFORMACIÓN
Sw=Δh /
h
Δh ( mm )
(%)
30-May-05
9h55
0
0
0,000
0,000
0,000
30-May-05
10h50
55
1,47
0,047
0,176
0,743
30-May-05
17h23
448
1,47
0,047
0,142
0,600
31-May-05
9h30
1415
1,47
0,047
0,114
0,482
31-May-05
15h30
1775
6,85
0,218
0,030
0,127
01-Jun-05
8h30
2795
6,85
0,218
0,030
0,127
01-Jun-05
15h00
3185
8,32
0,265
0,026
0,110
01-Jun-05
16h13
3258
8,32
0,265
0,004
0,017
01-Jun-05
17H40
3345
8,32
0,265
0,004
0,017
02-Jun-05
PRESIÓN DE
8h25
4230
8,32
0,265
0,004
0,017
σ =
0,265
kgf / cm2
EXPANSIÓN:
0,6 m
101
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN
1,000
Δ
0,750
0,500
0,250
0,000
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
P resió n ( kg/cm2)
ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN
Presión de expansión = 0,235 kg/cm2
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,000
1
10
100
1000
10000
Lo g tiempo (min)
102
U
UN
NIIV
VEERRSSIID
DA
AD
DD
DEE CCU
UEEN
NCCA
A
BIBLIOGRAFÍA.
REFERENCIAS
1. PRECUPA
2. Trenter N. A. “Eartworks: a Guide” Thomas Telford Londres 256p. (2001)
3. PECK RALPH B., HANSON WALTER E., THORNBURN THOMAS H.,
“Ingeniería de Cimentaciones” Editorial Limusa, México D.F., MÉXICO, 1982.
4. BRAJA M. DAS, “Principios de Ingeniería de Cimentaciones” Editorial
Thomson, México D.F., MÉXICO, 2001.
5. JATIVA V.J. “Contribution a l`etude des argiles gonflantes de L`Equateur”
T.F.E. Univretité Libre de Bruxelles, BEGIQUE, 1988.
6. MARQUEZ CÁRDENAS GABRIEL, “Propiedades ingenieriles de los suelos”
Universidad Nacional de Colombia, Sección Medellín, Facultad Nacional de
Minas, Medellín, COLOMBIA, 1987.
7. COLEGIO DE INGENIERIOS CIVILES DEL GUAYAS, “Cimentaciones sobre
suelos expansivos” III Etapa – XV Jornadas de Ingeniería Civil, Guayas,
ECUADOR, 1988.
8. JÁTIVA SEVILLA Vladimir, “Fenómenos de expansión y presión de arcillas
expansivas ecuatorianas, en estado límite y con estabilizantes” Congreso de
geotecnia, Quito, ECUADOR, 1997.
9. POUSADA PRESA Erundio, “Deformabilidad de las arcillas expansivas bajo
succión controlada” Laboratorio de Carreteras y Geotécnia, Madrid, ESPAÑA,
1984.
10. MOUROUX P., MARGRON P., PINTE J. C., “La construction économique sur
sols gonflanst” BRGM, París, FRANCIA, 1988.
11. FLETCHER GORDON A., SMOOTS VERDON A., “Estudios de suelos y
cimentaciones en la industria de la construcción” Editorial Limusa, México D.F.,
MÉXICO, 1978.
103