TAREA ACERCA DE LOS SUELOS EXPANSIVOS Vías Terrestres 17 DE NOVIEMBRE DE 2018 GERARDO RAZURA NAVARRO FACULTAD DE INGENIERÍA, UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO 1. Naturaleza Y Origen De Los Suelos Los suelos son conjuntos de partículas minerales producto de la desintegración mecánica o de la desintegración química de rocas preexistentes. En los suelos se distinguen tres fases constitutivas: 1. Fase Sólida: partículas minerales, 2. Fase Líquida: agua generalmente, y 3. Fase Gaseosa: aire generalmente. El conjunto de partículas minerales posee una organización definida de propiedades que varían vectorialmente. En el aspecto de distribución de presiones, se posibilita que la presencia de agua sea continua dado que, debido a la misma organización de partículas, y al conocimiento base de que el agua está presente en todos y cada uno de los existentes suelos, en mayor o menor proporción. A su vez, el agua no ocupa huecos aislados sin intercomunicación dentro de un cuerpo de suelo, sino que el agua forma una masa continua que contiene al mineral en su seno. 2. Características Y Estructuración De Las Partículas Minerales La forma de las partículas minerales de un suelo es de vital importancia acorde a su comportamiento mecánico. En los suelos gruesos, la forma característica es la equidimensional, en la que las tres dimensiones de la partícula son comparables. Ésto es debido a que, en los granos gruesos de los suelos gruesos, las fuerzas de gravitación predominan notablemente sobre cualesquiera otras que pudieran ejercerse entre las partículas; es por ello que todas las partículas tienen un comportamiento similar. En los suelos finos, la forma de los componentes tiende a ser a ser aplastada, por lo que los minerales de arcilla adoptan en general la forma laminar en que dos dimensiones son incomparablemente grandes que la tercera. Así, en los suelos finos se ejerce una acción muy importante de fuerzas diferente a la gravitacional, por efecto de la relación entre el área superficial y el peso de sus partículas, donde cobra mucha significancia la fuerza electromagnética. 3. Minerales Constitutivos De Las Arcillas Partiendo de los numerosos minerales, donde predominan los silicatos, los agentes de descomposición química llegan a un producto final: la arcilla. Las arcillas están conformadas principalmente por silicatos de aluminio hidratado, y además, en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales, también hidratados. Dichos minerales tienen una estructura cristalina definida en la mayoría de las ocasiones, cuyos átomos se disponen en láminas: la silícica y la alumínica son las dos variedades de dichas láminas. Acorde a la estructura reticular de las láminas, los minerales de arcilla se clasifican en tres grandes grupos: a) Caolinitas, b) Ilitas, y c) Montmorilonitas. Las caolinitas se conforman por una lámina silícica y otra alumínica que se superponen indefinidamente. La unión entre todas las retículas es lo suficientemente firme para no permitir la penetración de moléculas de agua entre ellas, por lo cual las caolinitas se caracterizan por ser relativamente estables en presencia de arcillas. Las ilitas están estructuradas en semejanza a las montmorilonitas, una lámina alumínica entre dos láminas silícicas superpuestas indefinidamente con unión débil donde las partículas de agua se introducen con facilidad; pero la constitución interna de las ilitas tiende a formar grumos de materia, que reducen el área expuesta al agua por unidad de volumen, con una expansión ligera y una estabilidad media. Las montmorilonitas, de estructura laminar igual a la de las caolinitas, presentan una unión entre sus retículas muy débil, por lo que las moléculas de agua se introducen al interior de la estructura reticular con demasiada facilidad. Ésto se resume en un incremento del volumen de los cristales, es decir, una expansión macrofísica del suelo arcilloso; estas arcillas son los suelos expansivos. Por lo tanto, las montmorilonitas presentan una gran inestabilidad, y por desfortuna, son el grupo de arcillas que con mayor frecuencia se encuentra el ingeniero en sus trabajos de campo. 4. Factores De Influencia En Un Suelo Expansivo Primordialmente, un suelo expansivo recae mayoritariamente en lo que es su naturaleza estructural o composición mineralógica, lo cual fue descrito en el segundo y tercer párrafo del presente texto. En consiguiente, la humedad inicial del suelo es otro factor de influencia, ya que el catalizador del fenómeno de la expansión es la variación en el contenido de humedad del suelo. Por más montmorilonita que esté compuesta una arcilla, si no hay variación en el contenido de humedad del suelo, no habrá cambios volumétricos. Otro factor de influencia es la densidad o peso específico del suelo expansivo, ya que en correlación con el ensayo de penetración estándar, se denota que a resultados inferiores al 15%, el suelo posee una densidad baja así como un riesgo expansivo bajo; y por el lado opuesto, a valores mayores al 15% arrojados por el ensayo, indican un suelo con un riesgo expansivo alto. 5. Identificadores Para Un Suelo Expansivo Las principales formas para identificar un suelo potencialmente expansivo son: a) Identificación mineralógica: dentro de este modo de identificación, se encuentran varias pruebas de laboratorio, como difracción por rayos X, análisis térmico diferencial, análisis de absorción de colorantes, análisis químicos y análisis por microscopio electrónico. es el mineral preponderantemente expansivo. La presencia de cargas eléctricas negativas en la superficie de los minerales arcillosos, así como la capacidad de intercambio catiónico resultan fundamentales para la magnitud de la expansión. Los ensayos de identificación mineralógica resultan muy usados en trabajos de investigación científica, pero resultan poco prácticos y antieconómicos para la práctica usual en ingeniería, dado que se requiere equipamiento y personal especializado. Es por este motivo que no se extiende en su desarrollo. b) Determinación de propiedades básicas del suelo: las propiedades básicas a medir en una arcilla para identificar su potencial de expansión son los límites de Atterberg, o en otras palabras, el límite líquido, el límite plástico, el índice plástico, el límite de contracción y la contracción lineal del suelo. Este método tiene la ventaja de que las previas pruebas de laboratorio son sencillas y que no se necesita ningún equipamiento complejo, no obstante, los resultados calculados se interpretan como valores que definen la potencialidad expansiva de una arcilla, y no así su minerología para establecer si se trata de una caolinita, una ilita o una montmorolinita. c) Métodos indirectos: Estos métodos consisten en predecir el potencial expansivo del suelo de una forma cualitativa, en base a medidas directas de la expansión del suelo sobre muestras remoldeadas compactadas en condiciones prefijadas de humedad y densidad. Los métodos más utilizados son el de Ladd y Lambe auspiciado por la Federal Housing Administration y el método de PVC o método de la medida del cambio volumétrico. d) Métodos directos: Estos métodos consisten en medir la expansión del suelo al saturarlo bajo diferentes condiciones de carga, graficándose las variaciones de hinchamiento para diferentes presiones aplicadas. Es universalmente aceptado que los dos parámetros que definen el potencial de hinchamiento son el hinchamiento libre y la presión de hinchamiento, los cuales constan en definir el porcentaje máximo de la elevación máxima para una presión nula en relación con la longitud inicial del recipiente que contenga el suelo y en la presión requerida sobre un suelo que previamente se pone en contacto con agua para que aquél mantenga su volumen constante inicial dentro del recipiente en el que se contenga; respectivamente. 6. Daños Típicos Consecuencia De Los Suelos Expansivos Como se mencionó anteriormente, los suelos expansivos, es decir, las arcillas montmorilonitas, son aquellos que se expanden con la humedad y se contraen al secarse. Los cambios de volumen pueden afectar de manera muy negativa a las cimentaciones y a las obras anexas, si éstas no han sido diseñadas para soportar tales deformaciones del terreno o para quedar al margen de sus efectos. Los suelos expansivos están considerados como terrenos completamente desfavorables y no solamente pueden producir fenómenos de hinchamiento sino también una retracción al sufrir desecación. Los problemas constructivos derivados de la expansión o retracción de un suelo expansivo se concentran principalmente en los elementos o capas inferiores que actúan como cimentación, ya sea en las zapatas de una edificación o en la terracería de un pavimento. Los efectos más comunes son agrietamientos verticales e inclinados en ambos sentidos, fisuración y rotura en elementos estructurales, rotura de la cimentación, fallas en pavimentos por capacidad alterada de carga, hundimientos bruscos y destructivos en terraplenes, bufamientos del terreno natural y rotura en conducciones de instalaciones. 7. Estabilización De Suelos Expansivos: Es bastante claro que el terreno de cimentación suele ser suficientemente bueno, tanto en lo que refiere a resistencia como a compresibilidad, para soportar a las vías terrestres en condiciones normales, pues las presiones a él comunicadas son relativamente bajas y la estructura del terraplén suele adaptarse muy bien a pequeños movimientos que puedan producirse. Las técnicas de mejora del suelo se pueden colocar en dos categorías principales: la estabilización química y la estabilización mecánica. La estabilización química implica la aplicación de aditivos químicos para mejorar el comportamiento de los suelos. Se utiliza para mejorar la manejabilidad del suelo, haciendo el material más fácil de usar como material de construcción. También se usa para reducir la plasticidad y el potencial de expansión-contracción. La estabilización química se divide en general mediante el uso de cal, de cemento y de cenizas volantes. En resumen, la adición de cal a los suelos arcillosos da lugar a dos reacciones químicas puzolánicas, éstas son de intercambio catiónico y de floculación y aglomeración; mientras que la estabilización con cemento se considera eficaz en suelos arcillosos con límite líquido inferior a aproximadamente 50% e índice de plasticidad inferior a aproximadamente 25%. La estabilización mecánica implica metodologías que mejoran las propiedades de ingeniería de los suelos seleccionados sin la adición de agentes u otras energías de unión de partículas. En otras palabras, no hay efectos químicos o de unión incluidos en esta metodología. Las acciones mecánicas más empleadas son las vibroflotaciones, voladura o blasting, la compactación dinámica, la compactación estática, consolidación o precarga y drenes de arena. En resumen, la vibroflotación es una técnica para densificar las capas gruesas de depósitos de suelos granulares sueltos por medio de una unidad vibratoria, donde el número de idoneidad (SN) es una función del tamaño de grano, es decir, D50, D30 y D10. Cuanto menor sea el valor de SN, mejor es la calificación de relleno. Por otro lado, la precompresión es una técnica por la que el asentamiento de consolidación mayor de capas de arcilla se elimina mediante la carga previa. 8. Bibliografía: Eulalio Juárez Badillo & Alfonso Rico Rodríguez. (2005). Mecánica de suelos, tomo I. México, D.F., Limusa. Braja M. Das. (2015). Fundamentos de ingeniería geotécnica. México, D.F.: Cengage Learning. Alfonso Rico Rodríguez y Hermilo Del Castillo. (1976). La ingeniería de suelos en las vías terrestres, Volumen I. México, D.F.: Limusa.
