EFECTO DE LAS CONSTRUCCIONES SOBRE ARCIL

“Año de la consolidación Democrática”
UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
IX CURSO DE ACTUALIZACIÓN PROFESIONAL
EFECTO DE LAS CONSTRUCCIONES
SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS
INFORME DE SUSTENTACIÓN PRESENTADO POR
BACHILLER:
CRISTIAN PERCY, VILLANUEVA CALDERÓN
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL
HUANCAYO – PERÚ
2006
HOJA DE CONFORMIDAD DE JURADOS
___________________________
Mg. Carlos Sanchez Guzmán
Decano
___________________________
Ing.
Jurado
___________________________
Ing.
Jurado
___________________________
Ing.
Jurado
___________________________
Ing. Javier Navarro Véliz
Secretario Docente
ÍNDICE
DEDICATORIA
i
RESUMEN
ii
INTRODUCCIÓN
iii
Pagina
CAPITULO I
03
I. GENERALIDADES
03
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
03
1.2. OBJETIVOS
04
1.2.1. GENERAL
04
1.2.2. ESPECÍFICOS
04
1.3. ANTECEDENTES
04
1.4. METODOLOGÍA
07
1.5. JUSTIFICACIÓN
07
1.6. LIMITACIONES Y ALCANCE
07
CAPITULO II
09
II. CARACTERÍSTICAS DE UN SUELO EXPANSIVO
09
2.1. CARACTERÍSTICAS DE UNA ARCILLA EXPANSIVA
09
2.2. COMPORTAMIENTO DE UNA ARCILLA EXPANSIVA
11
2.3. FACTORES QUE DESEQUILIBRAN LA HUMEDAD
14
2.3.1. FACTORES CLIMÁTICOS
14
2.3.2. LA PROFUNDIDAD DE ZONA ACTIVA
15
2.3.3. FACTORES HUMANOS
15
2.4. PROBLEMÁTICA DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS
16
2.5. CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN
18
2.6. PRESIÓN DE HINCHAMIENTO
22
2.7. MÉTODOS DE PRUEBA
23
2.7.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE
23
2.7.2. ENSAYO DE EXPANSIÓN BAJO CARGA
CONTROLADA
2.7.3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
CAPITULO III
25
26
29
III. EFECTOS DE LAS CONSTRUCCIONES SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS
3.1. DESCRIPCION Y ORIGEN DE LOS DAÑOS
3.1.1 DESCRIPCION
31
31
3.1.2 ORIGEN:
3.2. PREVENCION Y REPARACIÓN DE DAÑOS
40
3.2.1 PREVENCION
40
3.2.2 REPARACION
48
CAPITULO IV
52
IV. PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACION DE UN SUELO EXPANSIVO
4.1. PARAMETROS GENERALES DE INVESTIGACION
52
4.2. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA OBTENER LOS VALORES DE
EXPANSIÓN
54
4.2.1. ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN
55
4.2.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE
60
4.3. PROPIEDADES FISICAS Y MECÁNICAS DE LA MUESTRA 63
4.3.1 PROPIEDADES FISICAS
63
4.3.2. PROPIEDADES MECANICAS
64
4.4. RESULTADOS FINALES
CAPITULO V
64
64
V. CRITERIOS DE UNA CIMENTACIÓN PROFUNDA EN UN SUELO
EXPANSIVO
5.1. CONSIDERACIONES GENERALES
64
5.1.1 OBJETO DEL ESTUDIO
64
5.1.2 UBICACIÓN DEL TERRENO
65
5.1.3 ANTECEDENTES ESTUDIADOS
65
5.2. DESARROLLO DEL ESTUDIO
65
5.2.1 TRABAJOS REALIZADOS EN CAMPO
65
5.2.2 TRABAJOS REALIZADOS EN LABORATORIO
65
5.2.3. TRABAJOS DE GABINETE
66
5.3 DESCRIPCIÓN Y PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS
ESTRATOS
66
5.3.1 Horizonte superior granular (Entre 1,00 y 3,00 metros de
espesor)
66
5.3.2 Horizonte intermedio de arcillas limo arenosas de
consistencia media (Entre 6,00 y 9,00 metros de espesor)
5.3.3
66
Horizonte inferior de limos arenosos o arenas limosas 67
5.4 EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS
67
5.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES
67
5.4.2 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
69
5.4.3 IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL GRADO DE
EXPANSIVIDAD
69
5.4.4 ANÁLISIS DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA EXPANSIÓN
DE LOS ESTRATOS ARCILLOSOS
71
5.4.5 ESTIMACIÓN DE LOS CAMBIOS PREVISIBLES DE
HUMEDAD Y/O DEL ESPESOR DE LA CAPA ACTIVA
5.4.6
CONSIDERACIONES
GENERALES
FUNDACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS
72
ACERCA
DE
73
5.4.7 CRITERIOS EN EL DISEÑO DE LAS FUNDACIONES DE
LAS DIFERENTES ESTRUCTURAS TENIENDO EN CUENTA LA
EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS
5.5 CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
SUGERENCIAS
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
75
80
DEDICADO:
A Dios por darme la vida, a mi Madre
Aurora Cruz Calderón Seguil por alumbrar y
guiar mi camino, a mi querido Hijo Kevin
Villanueva por ser el pilar de mi existencia,
a mi hermano Carlos y a mis amigos que
están y estuvieron presentes durante mi
vida.
RESUMEN
En muchos casos, los suelos expansivos están
presentes debajo de la
superficie del terreno los mismos que se hinchan y se contraen conforme el
contenido de agua crece y decrece variando su presión de expansión
considerablemente. Si usamos cimentaciones superficiales, la estructura sufrirá
daños considerables. Siendo las cimentaciones profundas una alternativa
cuando éstos se extienden más allá de la zona activa. Presentar una
metodología de desarrollo aplicativo, experimental para el reconocimiento y
análisis
de
un
suelo
expansivo,
formulando
criterios
de
análisis
y
comportamiento, conociendo la naturaleza de las arcillas expansivas. Su
origen, prevención y reparación de los daños causados en las construcciones,
realizando procedimientos para la obtención de las muestras, resultados a
partir la norma E.050 de Suelos y Cimentaciones, proporcionando una guía
para una correcta identificación de un suelo expansivo y criterios de una
cimentación profunda en un suelo expansivo.
1
INTRODUCCIÓN
Dentro de la Mecánica de Suelos ha cobrado importancia el estudio del
comportamiento de las arcillas expansivas en vista del creciente número de
obras en las que es necesario trabajar con ellas. Como su nombre lo implica,
arcillas expansivas son aquellas que son susceptibles de sufrir un apreciable
aumento de volumen durante la construcción u operación de una estructura,
que provocan en la mayoría de los casos daños estructurales importantes. Este
comportamiento es de interés para el ingeniero cuando los movimientos y
presiones del suelo son suficientemente grandes para afectar una estructura.
Dentro de los comportamientos del suelo y de las estructuras desplantadas
sobre suelos expansivos podemos mencionar que en muchos casos la
expansión comienza cuando el suelo se humedece por fugas en las tuberías de
drenaje o agua potable, o por otra parte los suelos con elevada capacidad para
2
expanderse pueden o no expanderse ya que su comportamiento depende de la
condición física del material al principio de la construcción y que las estructuras
puedan comportarse adecuadamente cuando estén bien diseñadas sean
rígidas o flexibles.
Tanto la compresibilidad como la expansividad de los suelos se han estudiado
hasta la fecha prácticamente con la ayuda de la prueba de consolidación
estándar, es decir atendiendo únicamente a su proceso de deformación
unidimensional.
Ya que la mayor parte de los problemas con los suelos expansivos está
relacionada con la ausencia de un método de análisis confiable que permita
cuantificar los desplazamientos totales y diferenciales, así como la presión de
contacto en la interfaz suelo-cimentación y la velocidad de los movimientos
para diferentes condiciones de humedecimiento.
Uno de los propósitos del presente trabajo es conocer brevemente la
naturaleza y comportamiento de las arcillas expansivas, tanto como la
descripción, el origen, la prevención y reparación de los daños causados en las
construcciones y parámetros básicos para identificar un suelo expansivo, el
lugar de la zona de investigación se encuentra en la Reserva del Parque Zonal
ubicado en el Distrito del Tambo perteneciente a la Ciudad de Huancayo.
Como producto de los resultados de este trabajo se presentan al final, algunas
recomendaciones para la cimentación en Suelos expansivos.
3
CAPITULO I
I. GENERALIDADES:
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:
Es preciso identificar las zonas en las cuales se presentan las arcillas
expansivas, para poder evitar la amenaza de los efectos en las
construcciones y garantizar un comportamiento adecuado ante las
cargas laterales y momentos de volcamiento inducidos por el suelo
expansivo. Ya que gran parte del nivel de desempeño de una
construcción sobre arcillas expansivas, depende del adecuado análisis
de
la
Plasticidad
del
Suelo,
Ensayo
de
Granulometría
por
Sedimentación y los resultados del ensayo para la determinación del
Hinchamiento Unidimensional de suelos cohesivos.
En particular se hace énfasis en la naturaleza y comportamiento de las
arcillas expansivas, tanto como la descripción, la prevención y los
4
parámetros básicos para identificar un suelo expansivo en la Reserva
del Parque Zonal ubicado en el Distrito del Tambo de la Ciudad de
Huancayo.
1.2. OBJETIVOS:
1.2.1. GENERAL:
Presentar
una
metodología
de
desarrollo
aplicativo
y
experimental para el reconocimiento y análisis de un suelo
expansivo.
1.2.2. ESPECÍFICOS:
-
Formular y justificar criterios de análisis y comportamiento de
un suelo expansivo.
-
Conocer la naturaleza y comportamiento de las arcillas
expansivas.
-
Conocer la descripción, el origen, la prevención y reparación
de los daños causados en las construcciones.
-
Desarrollar un procedimiento que facilite la obtención de las
muestras y los resultados a partir la norma E.050 de Suelos
y Cimentaciones.
-
Desarrollar una guía para la correcta identificación y análisis
de un suelo expansivo.
5
1.3. ANTECEDENTES:
Prácticamente todas las estructuras de ingeniería civil, edificios,
puentes, carreteras, túneles, muros, torres, canales o presas deben
cimentarse sobre la superficie del terreno o dentro de él. Las cargas de
estas estructuras se transmiten al terreno a través de una cimentación
adecuada; dependiendo de la naturaleza del terreno, se construyen
cimentaciones superficiales como las zapatas y cimentaciones
profundas como los pilotes. En el proyecto de cualquier sistema de
cimentación, el problema fundamental es evitar que se produzcan
asientos y expansiones suficientemente grandes para dañar la
estructura o dificultar sus funciones. La magnitud de la expansión de
un suelo depende, entre otros factores, del tamaño, tipo y utilización de
la estructura, tipo de cimentación y del emplazamiento de la estructura.
De acuerdo a algunas estimaciones llevadas a cabo se tiene que los
daños por suelos expansivos exceden al promedio anual de aquellos
causados por inundaciones, huracanes, sismos y tornados (Jones y
Holtz, 1973).
Los suelos expansivos son aquellos que en contacto con el agua,
sufren aumentos de volumen y sin esta, presentan contracciones
bruscas acompañadas de agrietamientos.
Por otro lado, la expansión de suelos también puede aparecer como
resultado de un alivio de esfuerzos, como el que provoca una
excavación. Estos suelos expansivos suelen estar distribuidos en todo
6
el mundo en regiones de climas semiáridos, la característica principal
que define su comportamiento es su estructura mineralógica, que es la
que al final de cuentas influye en su comportamiento fisicoquímico y
mecánico [Nelson, 1992].
La expansión de los suelos estará, en consecuencia, directamente
relacionada con las propiedades microestructurales de las partículas
arcillosas. Tendrá especial influencia la existencia en ellas de cargas
electroestáticas netas, así como la magnitud de su superficie
específica (forma aplanada, tamaño, etc.) o su capacidad de cambio
catiónico, siendo estos tres factores directamente proporcionales al
potencial de expansión que se pueda presentar. En particular la
sustitución isomorfa, principal factor en el aumento neto de la carga
negativa, puede además distorsionar la estructura cristalina coartando
el crecimiento del cristal y limitando por lo tanto el tamaño.
Aitchison
(1973)
indica
que
cualquier
mineral
arcilloso
es
potencialmente expansivo, en el caso de estos últimos este fenómeno
será prácticamente despreciable o nulo. Mitchell (1973) expone la
influencia de diferentes características microestructurales en la
expansión: dimensiones de las partículas, cationes de cambio,
sustituciones isomorfas, etc., observando en general las tendencias
indicadas.
La expansión de un suelo se podrá consecuentemente asociar con la
presencia de partículas arcillosas que puedan provocar esta
7
expansión. Habitualmente se consideran tres minerales arcillosos,
montmorillonita, illita y caolinita, que por su abundancia respecto a
otros se pueden considerar básicos a efectos de estudiar este
fenómeno, la estructura y principales características de estos tres
minerales. La montmorillonita es mucho más expansiva que la illita o la
caolinita y está presente en prácticamente todos los suelos
expansivos. Así lo confirman, por ejemplo, Collins et al. (1973) o
Frydman y Samocha (1984) cuando describen los terrenos expansivos
en Israel.
En ocasiones, sin embargo, es la illita, a su vez más expansiva que la
caolinita, la que produce los hinchamientos. En la illita y la caolinita la
expansión puede ser apreciable si las partículas son suficientemente
pequeñas (del orden de décimas de micra), siendo poco significativos
en otros casos (Mitchell, 1973).
Arnol (1984) o Schreiner (1987), citado por Josa (1988), exponen el
origen de los minerales arcillosos expansivos en la naturaleza,
centrándose fundamentalmente en los tres indicados anteriormente.
De acuerdo con este origen los suelos expansivos podrán ser
residuales procedentes de rocas ígneas aunque procesos de
transporte puedan modificarlos de su situación inicial ya sea antes o
después de su degradación. En ambos casos ambientes fluviales o en
aguas subterráneas, ricas en calcio, tenderán a producir arcillas con
8
alta proporción de este elemento como ion de cambio, mientras que en
ambientes marinos será el sodio el predominante.
En el Perú, la investigación sobre suelos expansivos no es muy
desarrollada, de esta manera esperamos iniciar una línea de
investigación tendiente a desarrollar conocimientos para atender la
problemática originada por estos suelos en muchas regiones del país y
en particular en la ciudad de Huancayo.
1.4. METODOLOGÍA:
La metodología es consistente con los modelos numéricos, resultados
empíricos, experimentales y aplicativos dentro de los comportamientos
observados en arcillas expansivas.
1.5. JUSTIFICACIÓN:
Es evidente encontrar “Suelos Expansivos” en la Zona Norte y Sur del
Perú, mas no existen estudios de Suelos Expansivos realizados en la
Ciudad de Huancayo, de aquí que es importante impulsar la
investigación para determinar las principales zonas en las cuales
pueden existir estratos de suelos expansivos perjudiciales para las
construcciones futuras, y determinar los parámetros para un
reconocimiento y análisis, siguiendo los criterios de acuerdo a las
bibliografías revisadas para determinar el grado expansividad y el
Reglamento Nacional de Edificaciones Norma E.0.50 de Suelos y
Cimentaciones.
9
Al final del estudio el Profesional Responsable tendrá una guía donde
encontrará
los
parámetros
para
poder
realizar
una
correcta
identificación de arcillas expansivas y será capaz de hacer un análisis
de un suelo expansivo.
1.6. LIMITACIONES Y ALCANCE:
Dado las limitaciones económicas, el poco tiempo de investigación y
experimentación, y en vista que los ensayos requieren mayor tiempo y
precisión, la presente investigación se limita en los siguientes
aspectos:
 Sólo se considera el análisis en una zona determinada dentro de
la ciudad de Huancayo donde existe presencia de suelo
expansivo.
 Las muestras tomadas serán del tipo Mib, según la Norma E0.50
de Suelos y Cimentaciones.
 El área de análisis será de 225 m2 de la cual según la Norma
E.050 de Suelos y Cimentaciones y de acuerdo al tipo de
edificación se hará 1 calicata.
 Se realizarán los ensayos de Plasticidad del Suelo, Ensayo de
Granulometría por Sedimentación, y los ensayos de presión de
expansión y expansión libre (NTP 339.170 - ASTM D4546).
 La clasificación del tipo de expansión tanto como los parámetros
de la toma de muestras y la presentación del informe de
Mecánica de Suelos (IMS) se basa en el Reglamento Nacional
10
de Edificaciones Norma E.0.50 de Suelos y Cimentaciones y la
bibliografía de la Especialidad.
11
CAPITULO II
II. CARACTERÍSTICAS DE UN SUELO EXPANSIVO:
2.1. CARACTERÍSTICAS DE UNA ARCILLA EXPANSIVA:
La presión de hinchamiento total es una característica de las arcillas
expansivas que depende del tipo y cantidad de minerales, de sus iones
intercambiables, del contenido de electrolitos en la fase acuosa y de la
estructura interna.
Partícula de Arcilla
(Lamina)
Molécula de Agua
Figura N°01
12
Esta presión es potencial y solo se desarrolla completamente bajo una
expansión libre y un cambio de humedad máxima desde el límite de
contracción hasta la máxima humedad de campo o saturación.
Esta característica produce que la magnitud de la presión de
hinchamiento que se desarrolla dependa del cambio entre la humedad
inicial y la humedad de equilibrio que se establece bajo las zonas
cubiertas por los pisos y por otra parte de la presión vertical aplicada
sobre el suelo expansivo.
Las arcillas expansivas no son, en realidad, un terreno ni un grupo de
terrenos, son más bien un fenómeno que se origina en la conjugación
de un terreno arcilloso con unas condiciones ambientales que
induzcan cambios apreciables de humedad. Todos los suelos
arcillosos experimentan variaciones de volumen según el grado de
humedad correlativas con la variación de la succión y el esfuerzo
efectivo. Estas variaciones serán tanto más importantes cuanto mayor
sea la proporción de partículas inferiores a 2 micras y también cuanto
más activa sea la especie mineralógica componente de esta fracción
(montmorillonita, vermiculita, etc.). Las arcillas tienen una capacidad
de intercambio iónico grande. Hay tipos numerosos de partículas de la
arcilla, por ejemplo los listados debajo:
Tipo
Capacidad de Intercambio Iónico
(me/100gr)
Caolinita
10 – 12
Illita
40
Montmorillonita
120
TABLA N°01
13
Además las arcillas expansivas pertenecen a un grupo mineralógico
muy amplio de materiales de naturaleza química silicea denominadas
silicatos. Dentro de esto, en función de la distribución de los tetraedros
de SiO44 (Figura N°02), se clasifican sistemáticamente dentro los
filosilicatos o silicatos laminares. Así, a grandes rasgos y en función
del tipo de arcilla, entre lámina y lámina, se emplazarán en mayor o
menor medida las moléculas de agua que producirán el hinchamiento.
Figura N°02
2.2. COMPORTAMIENTO DE UNA ARCILLA EXPANSIVA:
Conforme la presión vertical aumenta, disminuye el porcentaje de
expansión de la arcilla, hasta llegar a un valor que la anula totalmente,
lo que se denomina "Presión de hinchamiento".
14
Se tienen por lo tanto dos condiciones extremas: si no hay cambio de
humedad, no hay presión de hinchamiento, o por otra parte, aunque
haya un cambio extremo de humedad, si se aplica una presión vertical
suficiente, se anula la presión de hinchamiento. Dentro de estos
extremos existen infinidad de condiciones intermedias que son las que
se darán en la realidad y que se deben determinar para optimizar el
espesor de los rellenos de sustitución y la estructuración de pisos.
En un experimento realizado en un vaso de laboratorio de suelo de la
arcilla altamente seco activo como muestra la (Figura N°03), y otra
muestra de suelo arenoso, entonces uno comentaría que el volumen
de la muestra del suelo de la arcilla aumenta significativamente
cuando el agua se agrega. La actividad es así una medida de cuánto
los incrementos de volumen de la muestra del suelo con cambios en el
contenido de agua.
Note la ausencia de
expansión del suelo
arenoso
con
la
introducción de agua.
Muestra Seca de Arena
Suelo Arenoso Saturado
Note la expansión del
suelo de la arcilla con la
introducción de agua.
Muestra Seca de Arcilla
Suelo Arcilloso Saturado
Figura N°03
La expansión de arcilla es significativa
Cuando se agrega el agua.
15
Tradicionalmente, la naturaleza expansiva y los cambios en el
comportamiento mecánico de suelos arcillosos con contenido diversos
de agua son medidos con los Limites de Atterberg (Figura N°04). La
capacidad de un suelo para asimilar agua en su estructura es medida
por el LL y LP.
Sólido
Semi - Sólido
Limite de
Contracción
(LC)
Plástico
Limite
Plástico (LP)
Líquido
Limite
Liquido (LL)
Figura N°04
 Las arcillas caolinitas están relativamente inactivas y son un aporte
insignificante para moderar el potencial creciente.
 Las arcillas illitas son bastante expansivas.
 Las arcillas montmorillonita son altamente expansivas. En forma
abstracta, las arcillas montmorillonita pueden hincharse para más
que 15 veces su volumen original al ir de una condición seca para
una condición líquida saturada.
16
Afortunadamente, las arcillas montmorillonita nunca son encontradas
en forma abstracta en el campo pero más bien ocurre con las mezclas
con más arcillas estables, arenas, y otros. Así bajo las peores
condiciones, no se esperase más que 30 % o 50% de expansión de
volumen en el campo. Entonces, aun con expansiones de volumen
acercándose a estos niveles podrían tener efectos potencialmente
desastrosos en las estructuras y sus fundaciones. Dado la naturaleza
altamente expansiva de arcillas de montmorillonita, es sabio poder
detectar su presencia.
2.3. FACTORES QUE DESEQUILIBRAN LA HUMEDAD:
2.3.1. FACTORES CLIMÁTICOS:
Los factores climáticos más significantes son tasas de
precipitación y tasas de evapo-transpiración. En particular, las
tasas de transpiración están controladas por la vegetación
cubriendo un sitio.
Transpiración
Precipitación
Evaporación
Escorrentía
Paleodrenaje
Percolación
Figura N°05
17
2.3.2. LA PROFUNDIDAD DE ZONA ACTIVA:
La zona activa está definida como la región de suelo cerca de
la superficie en la cual el contenido de agua cambia debido a
la precipitación y evapo-transpiración (Figura N°06). Mientras
más profunda sea la zona activa, mayor será la región sobre la
cual la expansión del suelo pueda ocurrir y así el mayor
potencial para el levantamiento debido a la expansión del
suelo.
Contenido de Agua en el Suelo w (%)
Profundidad de la
Zona Activa para
los cambios
estaciónales
Variación estacional
del contenido de
agua hacia dentro del
suelo
Profundidad, z
Figura N°06
La zona activa hacia adentro experimenta cambios
estaciónales en el contenido de agua.
2.3.3. FACTORES HUMANOS:
Existen
numerosas
actividades
humanas
asociadas
con
instalaciones de la construcción que pueden aumentar el
contenido
de
agua
de
instalaciones construidas.
depósitos
del
suelo
cerca
las
18
 Las irrigaciones externas cerca de fundaciones.
 La extracción de vegetación como árboles que sirven para
quitar agua del suelo por la transpiración.
 La canalización impropia de avenidas.
 Las fugas en las tuberías de agua son con frecuencia causa
de daños importantes.
2.4. PROBLEMÁTICA DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS:
El efecto de estas arcillas es principalmente sobre elementos
estructurales o no estructurales que presenten una superficie extensa
donde la presión de hinchamiento puede generar empujes de muchas
toneladas.
Podría tratarse de placas de cimentación continuas o aisladas de
casas de habitación, edificios livianos, pisos en general, aceras, losas
rígidas, pavimentos, muros, tuberías, cajas de registro, etc. También
se presentan efectos indirectos como volcamiento de paredes, rotura
de tuberías, reptación (desplazamiento lento de una ladera), etc.
En todos los casos la presión de hinchamiento se desarrolla cuando se
presenta un aumento de humedad y la arcilla está imposibilitada de
moverse. La fuerza que se desarrolla en función del área en contacto
con la arcilla, la rigidez del elemento y de la magnitud del aumento de
humedad que muchas veces es variable en el área de contacto
generando desplazamientos diferenciales.
19
CASOS TÍPICOS DE DAÑOS EN ESTRUCTURAS
Infiltración de Agua
Estructura Original
Asentamiento de
bordes
Infiltración de
Agua
Asentamiento central
Asentamiento de acuerdo a la
transpiración
Figura N°07
Factores que conducen a cambios en el contenido de agua de suelos
expansivos.
Tales cambios pueden conducir al levantamiento o asentamiento de la
estructura.
Sin embargo las variaciones de humedad dependen del clima, y
también de las variaciones que en el equilibrio entre el suelo y el
ambiente induzca la estructura que se construya. En consecuencia la
construcción de la edificación, al cubrir el terreno e impedir la
evaporación, induce un aumento de la humedad bajo el mismo, mayor
en el centro que en los bordes, tardando a veces varios años (de tres a
siete) en manifestarse claramente. En ocasiones el primer signo que
20
se aprecia, aún antes de ver la primera fisura, es que las puertas rozan
con el piso, al cabo de unos pocos años de haber sido construida.
El levantamiento del terreno puede ser en el centro de la edificación,
en forma lenta y progresiva, otras veces puede ser en los bordes y
esquinas (diferencial) adaptándose a cambios “estaciónales” cíclicos.
En forma general los movimientos no tienen un patrón fijo, la
distribución de las grietas en las edificaciones afectadas, es casi
siempre difícil de explicar.
En general Según la Norma E.050 de Suelos y Cimentaciones del
Reglamento Nacional de Edificaciones caracterizan a estos como;
suelos cohesivos con bajo grado de saturación que
aumentan de
volumen al humedecerse o saturarse.
2.5. CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN:
Seed, Woodwuard y Loundgren, considerando que el potencial de
hinchamiento está definido como el porcentaje de hinchamiento de una
muestra confinada lateralmente, la cual ha sido humedecida bajo una
carga de 1.0 lb/pul2 después de ser compactada a la máxima densidad
seca y al óptimo contenido de humedad, siguiendo la Norma del
ensayo
de
Proctor
Modificado
ASTM-D1557.
establecieron lo siguiente:
S = 60 x K x IP 2.44 ............ (1)
Donde:
S =
Potencial de hinchamiento
IP =
Índice plástico
Estos
autores
21
K =
3.6 x 10-5
Una relación entre potencial de hinchamiento de las arcillas y del
índice de plasticidad es como la que se presenta en la (TABLA N°02):
ÍNDICE DE PLASTICIDAD
%
0 – 15
POTENCIAL DE
HINCHAMIENTO
Bajo
10 – 35
Medio
20 – 55
Alto
> 55
Muy Alto
TABLA N°02
Según esta tabla se observa que a mayor índice de plasticidad se
manifiesta mayor el hinchamiento.
El grado de peligrosidad que ofrecen las arcillas ha sido correlacionado
por Holtz y Gibs en 1954 por medio de su límite de contracción como
se muestra en la (TABLA N°03) que durante un tiempo fue muy usada.
LIMITE DE
CONTRACCIÓN
< 10
PELIGRO DE
HINCHAMIENTO
Critico
10 – 12
Marginal
> 12
No critico
TABLA N°03
22
En general existen varios métodos para calcular la expansión
volumétrica y la presión de hinchamiento. Unos mediante pruebas de
laboratorio que directamente definen estos valores (Método AASTHO
T258-81 o ASTM D-4546) y otros que utilizan los límites de
consistencia y la humedad del suelo para aplicar ecuaciones
experimentales, que al final nos dan las mismas características.
A modo de ejemplo seguidamente se adjuntan algunos de los criterios
más comunes para clasificar el potencial de expansión de las arcillas:
CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN DE LAS ARCILLAS
(HOLTZ Y GIBS)
Potencial de
expansión
% límite
líquido
Muy alto
Alto
Medio
Bajo
>63
50-63
39-50
<39
% límite de
contracción
% índice de
plasticidad
<10
>32
6-12
23-25
8-18
12-34
>13
<20
TABLA N°04
% de
partículas
menores de
una micra
Expansión
libre (%)
>37
18-37
12-27
<17
>100
>100
50-100
<50
CLASIFICACIÓN DEL POTENCIAL DE EXPANSIÓN DE LAS ARCILLAS
(SEED)
Índice de plasticidad
10
20
30
40
50
Potencial de expansión (%)
0.4 - 1.5
2.2 - 3.8
5.7 - 12.2
11.8 - 25.0
20.4 - 42.6
TABLA N°05
CLASIFICACIÓN DE LA EXPANSIVIDAD
(CHEN)
Datos de Laboratorio
% <# 200
% Limite
Liquido
< 30
30 - 60
60 - 95
> 95
< 30
30 - 40
40 - 60
> 60
Datos de
Campo
N
Expansión
probable (%)
expansión
Grados de
Expansión
< 10
10 - 20
20 - 30
> 30
TABLA N°06
<1
1-5
3 - 10
> 10
Bajo
Medio
Alto
Muy alto
23
Según la NTP 339.170 (ASTM D 4648). Las muestras utilizadas para la
evaluación del hinchamiento deberán ser obtenidas de pozos a cielo
abierto, en condición inalterada, preferentemente del tipo Mib.
CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS
SEGÚN NORMA E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES
Potencial
de
expansión
Expansión en
consolidómetro,
bajo presión vertical
de 0,07 kg/cm2
%
Muy alto
Alto
Medio
Bajo
%
> 30
20 – 30
10 – 20
< 10
Límite de
Contracción
%
< 10
6 – 12
8 – 18
> 13
TABLA N°07
Índice de
plasticidad
Porcentaje de
partículas
menores que
una micra
%
> 32
23 – 45
12 – 34
< 20
%
> 37
18 – 37
12 – 27
< 17
Según la TABLA N°07 que observamos la Norma E.050 se basa en la
clasificación de HOLTZ Y GIBS.
En general según la Norma E.050 del de Suelos y Cimentaciones del
Reglamento Nacional de Construcciones, en las zonas en las que se
encuentren suelos cohesivos con bajo grado de saturación y
plasticidad alta (LL  50), el PR deberá incluir en su EMS un análisis
basado en la determinación de la plasticidad del suelo NTP 339.129
(ASTM D4318) y ensayos de granulometría por sedimentación NTP
339.128 (ASTM D 422) con la finalidad de evaluar el potencial de
expansión del suelo cohesivo en función del porcentaje de partículas
menores a 2μm, del índice de plasticidad (IP) y de la actividad (A) de la
arcilla. La relación entre la Expansión Potencial (Ep) y los parámetros
antes indicados se muestra en la (Figura N°08) siguiente:
24
PORCENTAJE DE ARCILLA (<2μm)
EN UNA MUESTRA
Figura N°08
Clasificación de cambio potencial de volumen para suelos
arcillosos.
Actividad (A) =
IP
% < 2mm
2.6. PRESIÓN DE HINCHAMIENTO:
David y Komornik (1969), propuso una ecuación que se utiliza para
calcular la presión de expansión. Esta se encuentra basada en un
análisis estadístico de más de 200 muestras de suelo; la ecuación
propuesta por los autores es:
Log Ps = 2.132 + 0.0208 (LL) + 0.665(γd) – 0.0269(Wo)........ (2)
Donde:
Ps =
Presión de hinchamiento (kg/cm2)
LL =
Limite Liquido (%)
γd =
Peso volumétrico seco (Ton/m3)
Wo=
Humedad Natural en porcentaje
25
Según Vijayvergiva y Ghazzaly en 1976 establecieron la relación que
determina la presión de hinchamiento para suelos españoles y al
menos es la más usada en España.
Log Po =
1 (62.5 γd + 0.65 LL- 139.5)........ (3)
19.5
2.7. MÉTODOS DE PRUEBA:
Estos métodos de prueba pueden ser utilizados para determinar:
-
La magnitud de la expansión o de los asentamientos bajo presión
axial vertical.
-
La magnitud de la presión vertical necesaria para mantener sin
cambio
de
volumen,
especimenes
cargados
axialmente
lateralmente restringidos.
Los métodos mas satisfactorios y convenientes para determinar el
potencial de hinchamiento y presión de hinchamiento de arcillas
expansivas, es por medio de las mediciones directas. Estas
mediciones pueden ser hechas en el campo o Laboratorio.
2.7.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE:
El ensayo de expansión libre consiste en colocar una muestra
de suelo en estado natural en un anillo cuyas dimensiones son
definidas adicionando agua, la cual se anota el hinchamiento
vertical en función del tiempo sin la aplicación de ninguna carga.
Holstz en 1956 presento el ensayo como una prueba más
sencilla para reconocer una arcilla expansiva.
26
Lo que se busca en el ensayo de expansión es el porcentaje de
hinchamiento libre, que es la diferencia en el volumen final e
inicial, expresado como porcentaje del volumen inicial así:
%hl = [(Vo – Vf)] / Vf] * 100
Donde:
hl =
Hinchamiento libre
Vi =
Volumen Inicial
Vf =
Volumen final
Ejemplo de resultados de un ensayo:
LUGAR
: MANAGUA - NICARAGUA
POZO
:C–2
MUESTRA : M 1 – 1
PROF
: 1.9 – 2.10
Diámetro del anillo (cm)
6.350
Altura de la muestra inicial (cm)
2.540
Altura de la muestra final (cm)
2.780
Cont. de humedad inicial (%)
8.280
Cont. de humedad final (%)
21.37
Densidad húmeda inicial (gr/cm3)
1.789
Densidad seca inicial (gr/cm3)
1.508
Densidad húmeda final (gr/cm3)
1.830
Densidad seca final (gr/cm3)
1.652
27
CUADRO DE RESULTADOS
TIEMPO
(min)
0.00
EXPANSION
(mm)
0.000
EXPANSION
(%)
0.00
0.25
0.009
0.04
0.50
0.035
0.14
1.00
0.055
0.22
2.00
0.059
0.23
5.00
0.065
0.26
10.00
0.085
0.33
15.00
0.089
0.35
30.00
0.091
0.36
60.00
0.092
0.36
360.00
0.093
0.37
1440.00
0.094
0.37
2880.00
0.176
0.69
4320.00
0.300
1.18
8640.00
1.200
4.72
9960.00
1.600
6.30
15000.00
2.400
9.45
19800.00
2.400
9.45
2.7.2. ENSAYO DE EXPANSIÓN BAJO CARGA CONTROLADA:
Se realiza este ensayo preparando el espécimen de un suelo
inalterado,
dimensiones
colocando
definidas
dicha
para
muestra
luego
en
un
ensayarla
anillo
de
en
un
consolidómetro, con la ayuda del marco de carga y el dial de
deformación, se procede a registrar la fuerza de control y el
hinchamiento al humedecer inicialmente la muestra.
28
La presión de expansión que se obtenga al final es la medida de
la fuerza máxima por unidad de área que pueda producir el
suelo en condiciones de expansión extrema es la presión de
expansión bajo carga controlada.
2.7.3. PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO:
Para estas pruebas se requieren que el espécimen de suelo
esté restringido lateralmente y sea cargado axialmente en un
consolidómetro con acceso al agua libre.
MÉTODO A:
El espécimen es inundado y se permite que se expanda
verticalmente a una presión fija (al menos 1kPa) aplicada por el
peso de la piedra porosa y la placa de carga hasta que la
expansión primaria esté completa. Después el espécimen es
cargado hasta que se obtiene nuevamente su relación de
vacíos/altura inicial. Este método mide:
 La expansión libre.
 El
porcentaje
de
hinchamiento
para
presión
confinante arriba de la presión de expansión.
 La presión de expansión.
vertical
29
MÉTODO B:
Se coloca una presión excedente de la presión fija al espécimen
de permitir que el agua penetre en el consolidómetro.
La
magnitud
de
la
presión
vertical
es
frecuentemente
equivalente a la presión vertical de sobrecarga in situ a una cara
estructural, o ambas, pero puede depender de la aplicación que
se tendrá de los resultados de la prueba. Después, se permite el
acceso al agua libre. Esto puede resultar en:
 Expansión.
 Expansión y luego contracción.
 Contracción, o
 Contracción y luego expansión.
La cantidad de expansión o asentamiento es medida a la
presión aplicada cuando el movimiento ya se puede considerar
como despreciable. Este método mide:
 El porcentaje de hinchamiento o asentamiento para presión
vertical frecuentemente equivalente a la presión vertical
arriba de la presión de expansión.
 La presión de expansión.
30
MÉTODO C:
El espécimen se mantiene a una altura constante ajustando la
presión vertical después de que se ha inundado con agua libre
para obtener una presión de expansión.
Después se realiza una prueba de consolidación convencional y
se utiliza la curva de descarga para estimar el potencial de
expansión. Este método mide:
 La presión de expansión.
 La presión de preconsolidación, y
 El porcentaje de hinchamiento o asentamiento en el rango
de presiones verticales aplicadas.
Cuando se realiza el método “C”, la presión de expansión debe
corregirse por medio de un procedimiento de construcción de la
curva.
El motivo es que la alteración de la muestra y el proceso de
ajuste de las presiones verticales pueden ocasionar que no
ocurra parte de la expansión, lo cual reduce el valor que se
obtiene de la prueba.
SIMBOLOGIA:
LEYENDA
CALICATA
C-1
TIPO DE SUELO
CH
31
CAPITULO III
III. EFECTOS DE LAS CONSTRUCCIONES SOBRE ARCILLAS EXPANSIVAS
3.1. DESCRIPCION Y ORIGEN DE LOS DAÑOS:
3.1.1 DESCRIPCION:
El comportamiento de este tipo de suelos frente a los cambios de
humedad (problema que se acusa con los cambios estacionales
debido a los ciclos de humectación-desecación así como a la
ascensión del nivel freático) de lugar a la variación de su
volumen, produciéndose movimientos por los asentamientos
diferenciales de la cimentación, lo que puede llevar a la estructura
a soportar esfuerzos superiores a los previstos en cálculo y por
tanto producir patologías no admisibles, que pueden ser:
32
a) Grietas Verticales e Inclinadas En Ambos Sentidos:
Estos suelos provocan problemas de arrufo y quebranto
combinados por empujes horizontales, que se manifiesta en
fisuraciones en paramentos de fachadas:
- Por arrufo o ceñimiento de la cimentación en la parte central del
edificio.
- Por quebranto o ceñimiento de la cimentación en dos extremos
al mismo tiempo.
Figura N°01
Figura N°02
Figuras Nº01 Y Nº02: Grietas inclinadas por asientos
diferenciales debidos a retracciones del suelo y variación de
presión.
33
b) Fisuración y Rotura de Elementos Estructurales:
Fisuración de cortante en nudos de entramado, trabajo en
ménsula con grietas horizontales y/o inclinadas, rotura de
forjados, vigas, muros de carga con grietas inclinadas y
horizontales, etc. El asiento diferencial excesivo de lugar al
movimiento de los pilares o grupos de pilares, superándose el
límite elástico de algunos elementos estructurales. Estos daños
se manifiestan en principio en las fachadas ya sean portantes o
no con las grietas anteriormente expuestas.
Figura N°03
Figura N°04
Figuras Nº03 Y Nº04: Detalle de grieta horizontal
entre huecos de fachada.
34
c) Rotura de Cimentación:
- Zapatas aisladas y/o corridas: despegue de cimentación,
grietas horizontales por empujes y grietas inclinadas por siento
diferencial.
Figura N°05
Figuras Nº06
Figuras Nº05 Y Nº06: Detalle de suelo colapsado
alrededor de la zapata.
35
- Losas:
Grietas
de
flexión
y
distorsiones
que
desembocar en giros y rotura de la misma.
Figura Nº07
Figura Nº08
Figuras Nº07 Y Nº08: Detalle de fisura en losa.
pueden
36
- Pilotes: En obras antiguas, rotura de pilastras por cambio del
estado de cargas, roturas por flexión, cortante o flexión,
empujes sobre vigas riostras y los encepados, hundimientos por
retracción del suelo, etc.
Figura Nº09
Figura Nº10
37
Figura Nº11
Figuras Nº09, Nº10 Nº11:
Empujes sobre vigas riostras y los encepados, hundimientos
por retracción del suelo
- Muros de Sótano: Grietas por empujes laterales.
Figura N°12
Detalle de grietas por empuje de suelo en sótanos
38
d) Deformación de pavimentos:
Figuras N°13
Figura N°14
Figura N°15
39
Figura N°16
Figuras Nº13, Nº14 Nº15 Nº16:
Deformación de pavimentos.
e) Rotura de Conducciones: Enfatizando aún mas el problema al
producirse la rotura de colectores que suministran agua al
edificio.
Figura N°17
Rotura de colector.
40
3.1.2 ORIGEN:
El origen de las patologías por arcillas expansivas, depende
directamente de tres factores que pueden interaccionar entre si y
que son:
a) La Naturaleza Geológica y Geotécnica del suelo y en concreto
el porcentaje de contenido en finos para su caracterización.
b) El grado de expansividad a determinar en función a los
diferentes ensayos enunciados.
c) Cambio de humedad, debido a la estación en la que
encontremos a por otros factores externos tales como rotura de
tuberías de abastecimiento de agua, de saneamiento, zonas de
riego abundante, existencia de árboles de crecimiento rápido y
hoja caduca próximos al edificio, etc., se produce la hidratación y
deshidratación del terreno.
3.2. PREVENCION Y REPARACIÓN DE DAÑOS:
3.2.1 PREVENCION:
Para evitar la aparición de las fallas descritas, deberán seguirse
una serie de recomendaciones generales
a seguir tanto en
proyecto como en ejecución y de las cuales deberán elegirse
todas o algunas en función del caso particular:
41
a) Profundidad de Apoyo:
La solución de cimentación propuesta, deberá apoyar a una
profundidad suficiente sobre las zonas del sustrato menos
expuestas a los cambios de humedad y oscilaciones del nivel
freático (zapatas, pozos de hormigón pobre, pilotes, etc),
intentando evitar así las capas activas.
Generalmente por debajo de 3.00 a 3.50 metros no hay a priori
problemas con cambios de humedad siempre y cuando no exista
un nivel de agua o actuaciones antrópicas que produzcan dichos
cambios.
Figura N°18
Figura N°19
42
Figuras Nº18 Y Nº19: Pilotes en las cimentaciones.
b) Cargas:
Las cargas transmitidas por la cimentación al sustrato, deberán
compensarse con la tensión máxima admisible del suelo, asientos
y la presión de hinchamiento, de modo que esta última nunca
supere la tensión de trabajo de la cimentación.
Se podrá disminuir la acción de las arcillas expansivas siempre y
cuando la tensión transmitida por cada zapata, pozo o pilote sea
regular
y
constante,
no
debiendo
aparecer
diferencias
importantes de carga de unas a otras. Deberá calcularse los
posibles movimientos diferenciales y distorsiones angulares
estimando si es necesario profundizar la cimentación para evitar
posibles daños.
Figura N°20
c) Sistema de Cimentación:
Los pozos, zapatas, pilotes, etc., deberán en todos los casos
estar perfectamente arriostradas en dos direcciones, con vigas de
43
atado adecuadamente armadas. Estos deberán separarse del
terreno en todas sus caras (en pozos perimetralmente) con una
capa de zahorra de unos 15 cm. que amortigüe los posibles
empujes del suelo sobre las mismas. Deberá evitarse en todos los
casos el apoyo directo de solera sobre el sustrato expansivo,
recomendándose la ejecución de forjados sanitarios con una
correcta ventilación y debidamente calculados.
Figura N°21
Zapata sobre pozo de hormigón pobre armado.
d) Conducciones Subterráneas:
Deberá controlarse tanto de proyecto como de ejecución, todas
las conducciones subterráneas, saneamiento, canalizaciones y
tuberías, para evitar roturas o fugas de agua que alteren el estado
de humedad del suelo y se puedan producir movimientos del
sustrato.
44
- Las juntas entre tuberías deberán ser flexibles.
- Colocación de un lecho de hormigón bajo las tuberías
rellenándose y compactándose adecuadamente con suelo
granular fino.
- Arquetas y encuentros con las tuberías, flexibles que no
rompan.
Figura N°22
Conductos subterráneos en buen estado y sobre un lecho de
hormigón
e) Urbanización Exterior:
Aceras amplias y pavimentaciones extensas impermeables
debidamente armadas para evitar roturas; dispuestas de forma
perimetral, con pendiente hacia fuera y cunetas en el borde
exterior.
45
Con grados medios altos de expansividad, evitar el riego
excesivo de las zonas ajardinadas que deberían disponer de un
sistema adecuado de drenaje que impida cambios de humedad
del suelo y donde se evitará la plantación de especies
caducifolias y de ribera (chopos, alisos, sauces, olmos, etc.)
próximos a los edificios y sus cimentaciones.
Figura N°23
Solución de aislamiento para evitar cambios de humedad.
f) Drenaje:
Sistemas de drenaje perimetral efectivos, con tubos dren
profundos y sistemas que eviten la colmatación de los mismos
(geotextiles, etc.) y permitan la correcta evacuación de las aguas
superficiales.
46
Figura N°24
Figura N°25
Figuras Nº24 Y Nº25: Sistemas de drenaje perimetral.
g) En la Ejecución:
Deberá evitarse la exposición prolongada del sustrato de apoyo a
la acción de la naturaleza, excavándose y hormigonándose en el
menor tiempo posible.
47
Figura N°26
Figura N°27
Figuras Nº26 Y Nº27: Evitar demoras en la construcción para evitar lluvias
las cuales faciliten el cambio de estado del suelo expansivo.
3.2.2 REPARACION:
Las actuaciones a llevar a cabo, son complejas y de elevado costo,
siendo
estrictamente
necesaria
la
obtención
de
parámetros
geotécnicos específicos para que el cálculo del recalce o refuerzo
48
esté a la altura de las circunstancias y la patología no progrese. Los
principales métodos de reparación son:
a) Recalces en cimentación, mediante bataches o micropilotaje.
Figura N°28: Operación de micropilotaje.
Figura N°29
49
Figura N°30
Figura N°31
Figuras Nº29, Nº30 y Nº31: Operaciones de recalce de
cimentación.
b) Zunchados horizontales y refuerzos en la estructura, tales
como zócalos armados y atados a la cimentación rodeando el
edificio, vigas de atado a nivel de cubierta y forjados intermedios,
rigidización de marcos de puertas y ventanas, empleo de
contrafuertes, etc.
50
Figura N°32
Figura N°33
Figuras Nº32 y Nº33: Detalles de vigas de cimentación en un
suelo expansivo
51
CAPITULO IV
IV. PROCEDIMIENTO DE IDENTIFICACION DE UN SUELO EXPANSIVO
(CASO PRACTICO)
Para determinar el porcentaje de expansión y la presión de expansión de
un suelo, lo primero que se tiene que hacer es determinar si el suelo es
expansivo, y eso se logra con los ensayos de consistencia.
Para el presente caso práctico de identificación de suelo expansivo de
tomo en consideración la exploración visual, ya que en nuestra ciudad no
existe antecedentes de estudios anteriores con respecto el tema arcillas
expansivas consideradas dentro del casco urbano o incluso fuera del
mismo, para lo cual se hizo dificultoso encontrar el punto de partida para
este procedimiento, primeramente se hizo una revisión a los registros
tomados por el Laboratorio de Mecánica de Suelos de la Universidad
Peruana Los Andes para ver si alguno de ellos cumplía con las
características de ser un suelo expansivo, lamentablemente no se
encontró lo que se buscaba, finalmente se optó por la inspección visual,
llegando a calificar tres zonas como alternativas de investigación de las
52
cuales por motivos de tiempo en el traslado de la muestra y medios
económicos se optó por la zona que se encontraba más cerca al casco
urbano de la ciudad, lugar del cual se desarrollo la metodología siguiente
obteniendo los siguientes valores:
4.1. PARAMETROS GENERALES DE INVESTIGACION
A. DATOS GENERALES
PLANO DE UBICACIÓN: ANEXO 01
LOCALIZACION: El lugar de estudio esta localizado en La
Reserva del Parque Zonal ubicado en el
Distrito del Tambo de la Ciudad de Huancayo.
TOPOGRAFIA:
El lugar en estudio presenta, topografía plana,
con ligera pendiente descendiente de norte a
sur.
CLIMA Y TEMPERATURA:
El espacio geográfico de la provincia de Huancayo está
constituido por una oferta ambiental heterogénea en sus
dimensiones y cualidades.
Interpretando al clima como un proceso termodinámico (cambios
térmicos: de asimilación o liberación de energía variaciones de
temperatura: calor, frío, etc.) en donde las transformaciones de
53
energía tienen un carácter continuo y discontinuo, ocurren cada
hora, día, semana, mes y año.
Donde los 12 meses del año (365 días) son la base cíclica para
diferenciar los cambios del tiempo y clima, destacando los
cambios de temperatura, períodos de lluvia y sequía, variaciones
de humedad, nubosidad, vientos; en fin toda una gama de
fenómenos identificables en la frágil atmósfera que nos envuelve.
El ámbito geográfico de la ciudad de Huancayo, entre sus
características ambientales presenta un clima fluctuante como
resultado de las propiedades sistémicas de la atmósfera global a
la cual está asociada, gran parte de las variaciones corresponden
a mecanismos de intercambio de materia y energía del conjunto,
en algunos casos son modificados por la presencia de factores
locales como las geoformas, naturaleza de los suelos, la
presencia de agua, la cobertura vegetal, la presencia antrópica,
etc. El clima de la Ciudad de Huancayo, varía de acuerdo con la
altitud siendo templado y frío, con temperaturas diurnas
superiores a los 23° C; y durante la noche hasta los 6° C bajo
cero.
ÁREA DE TERRENO:
225.00 m2
PERÍMETRO:
60.00 ml
B. PROGRAMA DE EXPLORACIÓN:
INFLUENCIA DEL TERRENO:
a) Número n de puntos a investigar:
54
N° PTOS INVESTIGADOS
1
b) Número y tipo de muestras a extraer:
N°
01 MUESTRAS
TIPO
MIB
c) Ensayos a realizar en el laboratorio: ANEXOS 02, 03.
Contenido de Humedad
NTP 339.127 – (ASTM D2216)
Análisis Granulométrico
NTP 339.128 – (ASTM D422)
Limite Liquito y Limite Plástico
NTP 339.129 – (ASTM D4318)
Clasificación SUCS
NTP 339.134 – (ASTM D2487)
Gravedad Específica
NTP 339.134 – (ASTM D2487)
Peso volumétrico
NTP 339.134 – (ASTM D2487)
d) Ensayos especiales en suelos expansivos:
Presión de Expansión
E050 NTP 339.170
Expansión Libre
E050 NTP 339.170
4.2. ENSAYOS DE LABORATORIO PARA OBTENER LOS VALORES
DE EXPANSIÓN:
Los valores de Presión de Expansión y el porcentaje de Expansión
Libre, se realizaron utilizando los siguientes ensayos:
4.2.1. ENSAYO DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN:
a) REFERENCIAS:
55
 E050 NTP 339.170 (ASTM D2435-96).
 Peck
Ralf,
Hanson
Walter,
Thornburn
Thomas,
Ingeniería de Cimentaciones, (1991), segunda Edición,
Editorial LIMUSA, Página 379-381.
 I.S. Kaurichev, N.P. Panov, Prácticas de Edafología,
(Traducido por Esther Vicente), (1984), Editorial Mir,
Páginas 103-105.
b) EQUIPO:
 Aparato de carga: Equipo capaz de aplicar cargas
verticales a la muestra.
 Consolidómetro: Dispositivo que contiene a la muestra
durante el ensayo, constituido por las siguientes partes:
depósito de agua para la inundación de la muestra,
anillo de retención de la muestra, dos discos porosos
(superior e inferior), distribuidor de presión y aro de
fijación.
 Deformímetro: Con una precisión de lectura de 0.0025
mm como mínimo.
 Cronómetro.
 Equipo de contenido de humedad.
 Equipo Auxiliar: Espátulas, contenedores, etc.
56
Depósito de Agua
Anillo de Consolidación
Aro de Fijación
Distribución de Presión
Discos Porosos
Figura N°04
Consolidómetro de anillo fijo.
Deformímetro
Viga de Presión
Celda de Consolidación
Contrapeso
Brazo
Eje
Masas
Figura N°05
Aparato de consolidación.
c) PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO:
1. Tomar la muestra inalterada extraída de campo,
colocarla en una mesa dentro de un cuarto con T°
controlada aproximadamente 25°C
57
2. Retirar la cubierta de tela y parafina de la muestra de la
muestra inaltera de donde se tomaran la muestra a
ensayar. Colocar un trozo de parafina en un recipiente
metálico y colocarlos en la estufa a fuego lento por
espacio de 5 a 10 minutos, hasta que se vuelva líquida.
3. Cortar con un cuchillo de hoja delgada, previamente
afilada, un trozo de aprox. 10 x 10 x 5 cms, teniendo
cuidado de no causar alteraciones a la estructura de la
muestra. Posteriormente, cubrir la muestra con tela y
parafina líquida.
4. Tomar un anillo de consolidación, determinar sus
dimensiones (diámetro y altura). Cubrir la superficie
interna del anillo con una capa delgada de aceite y
determinar el peso del añillo usando una balanza con
precisión de 0.1 gr.
5. Colocar el anillo sobre la muestra (con el bisel hacia
abajo), se labra la misma en forma de cono, con un
diámetro ligeramente superior que el diámetro del
anillo, a fin de que cuneado se introduzca el anillo sólo
corte una capa delgada de suelo y se profundice sin
hacer mucha presión.
6. Introducir el anillo de consolidación suavemente sobre
la
muestra
extraída,
procurando
introducirlo
ortogonalmente respecto a la superficie de la misma y
evitando movimientos laterales. Cuando la muestra
58
sobresalga unos 10 mm por encima del anillo, cortar la
misma unos 10 mm por debajo del anillo.
7. Enrasar cuidadosamente una cara de la muestra,
preferiblemente la inferior, dejándola nivelada respecto
al borde del anillo, utilizando un cuchillo y una espátula
flexible. Sobre la cara enrasada colocar un disco
plástico de diámetro ligeramente menor que el anillo y
de espesor de 0.62 cm, presionarlo cuidadosamente
con ayuda de una regla metálica hasta que la parte
superior del disco quede nivelado con el borde del
anillo. Invertir el anillo sobre una placa metálica de 12 x
12 cm y enrasar la otra cara de la muestra. Enrasada la
muestra retirar el disco plástico y determinar el peso de
la muestra más anillo.
8. Tomar del material removido
por la introducción del
anillo y del enrase dos muestras representativas para
determinar el contenido de humedad inicial de la
muestra a ensayar.
9. Colocar el anillo con la muestra dentro del vaso del
consolidómetro, de tal manera que la superficie donde
se aplique las presiones sea aquella en donde se
podrían aplicar las presiones in situ. Sobre la parte
superior e inferior de la muestra colocar papel filtro y
adicionar las placas perforadas.
59
10. Colocar el vaso de consolidómetro con las placas
perforadas en el aparato de consolidación, hacer
contacto con el sistema de carga y la placa perforada
superior por medio de un balín metálico, buscando que
el brazo de la palanca quede perfectamente horizontal,
utilizando el tornillo de aproximación. Dejar que el
sistema de aplicación de carga lo más firme y rígido
posible, sin que por esto la muestra sufre ninguna
aplicación de carga.
11. Ajustar en cero el deformímetro (con precisión de
0.001 cm), sobre la parte superior del tornillo de
aproximación.
12. Llenar completamente el vaso de consolidación con
agua por medio de una bureta.
13. Controlas la expansión de la muestra hasta que se
estabilice. Registrar el tiempo de inicio del control de la
expansión. Cuando la muestra comience a aumentar su
altura, se aplicara una presión de aprox. 0.05 a 0.10
Kg/cm2 hasta que el deformímetro retorne a cero. La
máxima deformación registrada no será mayor de 0.002
cm.
14. Registrar la presión bajo la cual la muestra ya no
presente tendencia a variar su volumen, dicha carga es
la denominada presión de expansión.
60
d) CALCULOS:
El valor de la Presión de Expansión se obtiene
directamente de la última presión aplicada en el Ensayo de
presión de expansión, se expresa en Kg/cm2.
e) RESULTADOS:
Presión de Expansión (Kg/cm2)
1.20
4.2.1. ENSAYO DE EXPANSIÓN LIBRE:
a) REFERENCIAS:
 E050 NTP 339.170 (ASTM D2435-96).
 Crespo, Carlos, Mecánica de Suelos y Cimentaciones,
(1998), Cuarta Edición, Editorial LIMUSA, S.A., Página
116.
 I.S. Kaurichev, N.P. Panov, Prácticas de Edafología,
(Traducido por Esther Vicente), (1984), Editorial Mir,
Páginas 105-106.
b) EQUIPO:
 Probeta graduada mayor de 500 ml de capacidad.
 Probeta graduada con capacidad de 100 ml.
 Horno con temperatura controlada de 110° C.
 Taras identificadas.
 Embudo de cuello largo.
61
Figura N°06
Ensayo de Expansión Libre con muestra alterada.
c) PROCEDIMIENTO:
1. Tomar del material extraído de campo ya procesado,
secado al sol y pasado por tamiz N°40, una muestra
representativa de 300 gr.
2. Colocar la muestra en una tara previamente identificada
e introducirla al horno a una temperatura de 110°C por
espacio de 24 horas.
3. Sacar la muestra del horno, dejar enfriar a temperatura
ambiente y dividir la muestra en dos porciones iguales;
tomar de cada porción 100 cm3, medido con una
probeta graduada con capacidad de 100 ml.
4. Tomar una probeta con capacidad mayor de 500 ml,
colocarla sobre una superficie plana y libre de
vibraciones, añadir de 100 a 150 ml de agua, agregar
lentamente los 100cm3 de suelo seco dentro de la
62
probeta con ayuda de un embudo de cuello largo,
posteriormente se añade la cantidad de agua necesaria
para saturar totalmente el suelo.
5. Mantener bajo observación el comportamiento del
cambio de volumen de la muestra, por el tiempo que
sea necesario, hasta no registrara variaciones en su
volumen.
6. Registrar el volumen final de la muestra midiéndolo por
medio de la graduación de la probeta empleada.
7. Repetir los pasos de 4 y 6 del presente procedimiento
en la segunda muestra.
d) PROCEDIMIENTO DE CALCULO:
1. Obtenido el volumen final de la muestra, calcular la
Expansión Libre por medio de la ecuación:
E.L. = [(Vo – Vf)] / Vf] * 100
Donde:
E.L.: Expansión libre en %.
2. Los
Vo :
Volumen inicial del suelo en cm3.
Vf :
Volumen final del suelo en cm3.
resultados
del
valor
de
Expansión
Libre
corresponden a las dos muestras de ensayo, se
63
promedian, así el resultado obtenido será el % de
Expansión Libre:
Volumen Inicial
cm3
100
Volumen Final
cm3
157.5
Expansión
Libre %
157.5
100
158.5
158.5
Promedio : 158 %
Nota: Los resultados de estos ensayos se mencionan en el
ANEXO 04.
4.3. PROPIEDADES FISICAS Y MECÁNICAS DE LA MUESTRA:
4.3.1 PROPIEDADES FISICAS:
DESCRIPCION
MUESTRA
Limite Liquido, LL
97.50%
Limite Plástico, LP
38.90%
Limite de Contracción, LC
9.10%
Índice de Plasticidad, IP
58.60%
Índice de Contracción, IC
29.80%
Índice de Liquidez, IL
0.097
Índice de Consistencia Ic
0.90
Número de Actividad, A
0.81
Gravedad Específica Gs
2.71
Humedad Natural, Wn
Peso Volumétrico Húmedo, ym, kg/m3
44.60%
1642
64
Peso Volumétrico Seco, yd, kg/m3
1136
Expansión Libre, EL
158%
Clasificación S.U.C.S.
CH
4.3.2. PROPIEDADES MECANICAS:
DESCRIPCION
MUESTRA
Presión de Expansión, kg/cm2
1.20
Cohesión ,c , kg/cm2
0.69
Angulo de φ
17.1°
Nota: Los resultados de estos ensayos se mencionan en el
ANEXO 04.
4.4. RESULTADOS FINALES:
De los Resultados Geotécnicos, podemos clasificar el potencial de
expansión de acuerdo a la (TABLA N°07) de la Norma E.050 del
Reglamento Nacional de Edificaciones:
Índice de Plasticidad
=
58.60 %
Presión de Expansión =
120 %
Límite de Contracción =
9.10 %
CLASIFICACIÓN DE SUELOS EXPANSIVOS
SEGÚN NORMA E.050 SUELOS Y CIMENTACIONES
Potencial
de
expansión
%
Muy alto
Alto
Medio
Bajo
Expansión en
consolidómetro,
bajo presión vertical
de 0,07 kg/cm2
Límite de
Contracció
n
Índice de
plasticidad
%
%
%
> 30 (120)
(9.1) < 10 > 32 (58.60)
20 – 30
6 – 12
23 – 45
10 – 20
8 – 18
12 – 34
< 10
> 13
< 20
Potencial de Expansión = Muy Alto
Porcentaje de
partículas
menores que
una micra
%
> 37
18 – 37
12 – 27
< 17
65
TABLA N°07
CAPITULO V
V. DISEÑO DE UNA CIMENTACIÓN PROFUNDA EN UN SUELO
EXPANSIVO
5.1. CONSIDERACIONES GENERALES
5.1.1 OBJETO DEL ESTUDIO:
El presente estudio tiene por finalidad reconocer las propiedades
físicas y mecánicas del terreno en donde se construirá la obra
de referencia, a fin de determinar la probable cota y tipo de
fundación de pórticos, equipos y edificios de la citada obra.
Los pórticos son estructuras metálicas de cuatro patas con
cargas de arrancamiento de 83,0 toneladas y 105,0 toneladas de
compresión. Además se deben fundar equipos y construcciones
66
livianas.
5.1.2 UBICACIÓN DEL TERRENO:
El mismo se encuentra ubicado al oeste de la actual Estación
Transformadora, sobre Ruta Nacional Nº3, en los suburbios de
la ciudad de Puerto Madryn en la provincia de Chubut. Se
adjunta al presente un croquis de ubicación en donde se señalan
los trabajos realizados.
5.1.3 ANTECEDENTES ESTUDIADOS:
Se tuvo en cuenta el estudio de suelo realizado por ARRT para
la Ampliación de la Estación Transformadora.
5.2. DESARROLLO DEL ESTUDIO:
5.2.1 TRABAJOS REALIZADOS EN CAMPO:
Sondeos Mecánicos: Se realizaron quince (15) perforaciones a
barreno y lechada bentonítica, de 18,0 metros de profundidad. En
el croquis de ubicación se las designa como sondeos S1 a S15.
Calicatas: Se realizaron cuatro (4) calicatas con maquina
retroexcavadora, las que han sido designadas como C1, C2, C3 y
C4.
5.2.2 TRABAJOS REALIZADOS EN LABORATORIO:
67
Sobre las muestras extraídas se realizaron los siguientes ensayos
y determinaciones:
 Humedad natural.
 Límites de consistencia.
 Granulometría por vía seca.
5.2.3. TRABAJOS DE GABINETE:
Se han realizado planillas y gráficos de los ensayos de
Laboratorio, se han evaluado sus resultados, y se han estudiado
los posibles sistemas de fundación de las construcciones con el
objeto de formular las recomendaciones de este Informe.
5.3 DESCRIPCIÓN Y PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ESTRATOS:
Para una mejor compresión de los perfiles detectados en las
perforaciones realizadas, se subdivide el perfil en tres horizontes
característicos:
5.3.1 Horizonte superior granular (Entre 1,00 y 3,00 metros de
espesor)
Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad
variable entre -1,00 y -3,00 metros se encuentra un manto de
arenas limosas con grava subredondeada y rodados con distinto
grado de cementación.
68
5.3.2 Horizonte intermedio de arcillas limo arenosas de
consistencia media (Entre 6,00 y 9,00 metros de espesor)
Se trata de arcillas o limos arenosos con distinto grado de
plasticidad, con coloración entre marrón rojiza a marrón verdosa.
Dentro de la Clasificación Unificada corresponden a suelos CL o
MH. Estos mantos presentan diferente grado de consistencia, con
un valor promedio en el número de golpes del SPT igual a 15.
Estas arcillas plásticas son susceptibles de expandir frente a
incrementos del contenido de humedad.
5.3.3 Horizonte inferior de limos arenosos o arenas limosas
Por debajo del horizonte anterior y hasta el total de la profundidad
investigada, (18,0 metros), se desarrolla un horizonte de limos
areno-arcillosos de color castaño, con lentes de arcilla arenosa de
color pardo verdoso. El número de golpes promedio de estos
mantos es superior a 20.
5.4 EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS:
5.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES:
En base a los antecedentes estudiados y a los análisis de los
ensayos de laboratorio realizados existen evidencias ciertas sobre
la existencia de arcillas expansivas en la zona. Por tal motivo la
investigación se focalizó en la detección de estas propiedades
particulares y en su cuantificación.
Existen varias fuentes que producen variaciones de humedad, y
69
por ende cambios en el equilibrio del sistema. Por ejemplo,
infiltración del agua de lluvia por deficiente drenaje superficial,
pérdidas en cañerías, pozos absorbentes, o el aumento del nivel
freático, u otras acciones de la naturaleza.
La metodología que debe utilizarse para dar una solución a las
fundaciones en arcillas expansivas debe incluir las siguientes
fases:
a) Identificación del problema y estimación de las propiedades de
expansión.
b) Estimación de los cambios previsibles de humedad y del
espesor de la capa activa.
c) Estimación de las magnitudes de los movimientos.
d) Comparar los movimientos estimados y los admisibles de la
estructura.
e) Adopción de una solución y su diseño.
70
5.4.2 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA:
El primer paso, es la observación. En zonas pobladas, el
reconocimiento de las construcciones existentes, de sus grietas,
presentes y reparadas, bastan para establecer si hay o no
problema. En general, hay que observar con especial cuidado los
elementos que están cimentados superficialmente (tapias, pisos,
etc). Esta última observación nos dará indicación que puede o no
existir el problema. Sin embargo, con este nivel de estudio no se
conocerá la magnitud del problema.
5.4.3 IDENTIFICACIÓN Y CLASIFICACIÓN DEL GRADO DE
EXPANSIVIDAD:
No existe ningún ensayo de identificación que nos permita
asegurar que un suelo arcilloso va a producir o no daños por
expansión. A continuación enumeraremos algunos de las
metodologías más utilizadas actualmente:
 Holtz y Gibbs (1954) califican el grado de expansividad en
función del Índice de plasticidad (Ip):
Índice de plasticidad:
0-15
Potencial de hinchamiento: Leve
10-35
20-55
>55
Medio
Alto
Muy alto
El solapamiento permite recordar que sólo es un índice, y por lo
tanto no es suficiente como para llegar a una conclusión
definitiva.
71
 Otro criterio, también debido a Holtz y Gibbs (1954), se estable
en base al límite de retracción:
Índice de Retracción
:
>12
Peligro de Hinchamiento:
Bajo
10-12
<10
Medio
Alto
Este criterio se usa muy poco, en parte por haberse comprobado
que las diferentes normas que existían para su determinación
dan resultados muy diferentes.
 Con los datos del análisis granulométrico por sedimentación
pueden seguirse dos criterios. El primero se basa en el
porcentaje de partículas inferiores a 1 micra:
% inferior a 0,001mm
:
<15
Peligro de hinchamiento: Bajo
13-23
Medio
20-30
Alto
>28
Muy
alto
 El otro criterio es el propuesto por Seed et al (1962), a través del
concepto de "Actividad":
Actividad =
Ip
.
(% < 2micras −10)
Este criterio se expresa utilizando la Fig.1.
72
5
Actividad
4
3
2
Muy alto
Alto
Medio
1
25% Potencial de
5% inchamiento
1.5%
Bajo
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentaje de particulas < 0.002
Figura 1: Potencial de hinchamiento en función de la actividad
de las arcillas (Seed et al, 1962).
.
 Los ensayos edométricos realizados sobre muestras inalteradas
de suelos permiten medir directamente los hinchamientos del
suelo cuando estos se inundan. En la actualidad se pueden
realizar ensayos de libre expansión, ensayos a volumen
constante, o ensayos de expansión bajo carga.
En general, como resumen puede decirse que mediante la
observación apoyada en ensayos (todos ellos sencillos y
rápidos), suele llegarse a establecer si el problema existe o no, y
hacer una clasificación cualitativa de la peligrosidad de los
mantos de arcillas.
5.4.4
ANÁLISIS DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA EXPANSIÓN DE
LOS ESTRATOS ARCILLOSOS
73
En el caso concreto de la Nueva Estación Transformadora se
utilizarán los siguientes métodos de identificación y clasificación:
 Método de Holtz y Gibas.
 La ecuación sugerida por O’Neill y Ghazzaly (1977), para
calcular el hinchamiento libre.
 La ecuación propuesta por Gogoll (1970), para determinar el
hinchamiento porcentual final.
De los resultados pueden sacarse las siguientes conclusiones:
 En el manto de arcillas plásticas ubicadas a una profundidad
promedio de 3,00 metros, pueden producirse hinchamientos por
expansión, si se modifica el contenido de humedad, debido al
clima o a procesos exógenos (pérdida de cañerías, ascenso del
nivel freático, etc.).
 Estos hinchamientos serán inferiores a un 4,0%.
 En los mantos de limos arcillosos ubicados por debajo de los
estratos arcillosos, no se producirán procesos de expansión por
humedecimiento, dado que estos suelos tiene contenidos de
humedad y presión suficientemente altos como para que este
fenómeno no se produzca.
5.4.5. ESTIMACIÓN DE LOS CAMBIOS PREVISIBLES DE HUMEDAD
Y/O DEL ESPESOR DE LA CAPA ACTIVA
En
este
punto,
conviene
precisar
que
se
entiende
por
74
"profundidad activa" del suelo desnudo. Se la define como la
profundidad en la cual se producen cambios en los contenidos de
humedad debidos a los procesos de desecación y humectación
producidos por el clima. Esta profundidad es variable en los
distintos lugares del mundo, así por ejemplo, en Sudáfrica puede
alcanzar entre 3,0 a 4,0 metros y en Andalucía escasamente
un metro de espesor. En el caso de que los movimientos
estacionales sean la causa principal de defectos, puede decirse
que la determinación de la profundidad activa es uno de los datos
más importantes para el proyecto de la cimentación.
A modo de conclusión parcial, puede señalarse que los únicos
procesos que pueden generar un incremento en los contenidos de
humedad en los mantos arcillosos son de carácter exógeno, como
por ejemplo:
 Pérdida
de
agua
en
las
cañerías
enterradas
(de
alimentación, cloacales, pluviales).
 Acumulación de aguas pluviales, etc.
5.4.6
CONSIDERACIONES
GENERALES
ACERCA
DE
FUNDACIONES EN SUELOS EXPANSIVOS
Pueden clasificarse en tres grupos, según sobre que aspecto se
actúe:
75
a) Cuando la actuación se realiza sobre las fundaciones, las
soluciones más comunes son las siguientes:
 Pilotes, pilotines. Esta solución contempla atravesar la
zona “activa” y apoyar las fundaciones sobre suelos
estables.
 Estructura rígida o semirrígida. En estos casos se calculan
las
fundaciones
con
una
tensión
de
contacto
lo
suficientemente alta como para que no se produzcan
fenómenos de hinchamiento.
 Plateas. En estos casos se calculan las losas teniendo en
cuenta los fenómenos de expansión y contracción.
b) Cuando la actuación se realiza sobre el terreno, las soluciones
más comunes son las siguientes:
 Sustitución del suelo susceptible por otro suelo no
expansivo.
 Estabilización de suelo expansivo. En general se trata de
estabilizaciones de tipo fisicoquímico, que inhiban la
potencialidad de expansión.
c) Cuando la actuación consiste en impedir que se produzca el
fenómeno, las soluciones más comunes son:
 Aislamiento
del
suelo
susceptible
a
procesos
de
76
hinchamiento o expansión, de modo que los procesos
climáticos o los agentes externos no modifiquen los
contenidos de humedad en el espesor de la capa activa.
 Aislamiento de las fuentes de ingreso de agua al terreno.
En este caso se realiza el diseño de las construcciones de
modo de impedir el acceso del agua al subsuelo, y que
cuando se produzcan estas pérdidas existan sistemas de
alarma temprana que adviertan sobre el inconveniente. En
estos
casos
es
habitual
preparar
manuales
de
mantenimiento de las construcciones.
5.4.7 CRITERIOS EN EL DISEÑO DE LAS FUNDACIONES DE LAS
DIFERENTES ESTRUCTURAS TENIENDO EN CUENTA LA
EXPANSIVIDAD DE LOS SUELOS.
Las únicas fuentes de humedecimiento que pueden afectar a los
mantos de arcillas susceptibles a expandir, son exógenas, tales
como la acumulación de aguas de lluvia por un inadecuado
diseño de drenaje superficial, pérdidas de cañerías enterradas.
Si estos elementos están adecuadamente aislados, de modo
que no se introduzca agua en el terreno, no se producirán
hinchamientos por humedecimiento o al menos su probabilidad
será mínima.
Para el diseño de las fundaciones se considera conveniente
77
asumir las siguientes hipótesis:
Tabla 1: Resumen de los perfiles de expansividad.
Sondeo
Profundidad
Del Techo
(m)
Profundidad
Del Piso
(m)
Espesor
(m)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Promedio
2.30
2.00
2.00
2.30
5.60
3.50
4.00
3.50
2.50
2.00
5.20
3.50
2.10
3.50
4.50
3.23
5.00
4.00
5.00
6.00
7.50
4.70
6.50
6.50
3.50
6.00
7.00
4.50
5.00
6.50
5.50
5.55
2.70
2.00
3.00
3.70
1.90
1.20
2.50
3.00
1.00
4.00
1.80
1.00
2.90
3.00
1.00
2.31
Expansión
Según
U.S.Army
(%)
1.55
1.64
1.26
1.50
0.33
0.00
0.87
0.73
2.09
0.47
0.56
3.37
1.04
0.97
0.00
1.09
Expansión
Según
INGEO
(%)
3.31
4.36
3.34
3.04
0.00
0.00
4.54
2.95
3.50
0.00
0.00
7.10
2.20
0.60
0.00
2.33
Estructura
Reactor
Pórtico
Pórtico
Pórtico
Kiosco
Kiosco
Kiosco
Edificio
Cabina
Depósito
Kiosco
Pórtico
Pórtico
Pórtico
Reactor
Sondeos
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0.00
Profundidad (m)
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
Fig. 3: Techo y piso del espesor del manto potencialmente
expansivo
78
 Profundidad del techo del manto susceptible a expandir: 3,00 metros.

Profundidad del piso del manto susceptible a expandir: 6,50 metros.

Espesor medio del manto potencialmente expansivo:
3,50 metros

Espesor del suelo que puede sufrir un incremento de
humedad: 2,00 metros.

Tensión última friccional: 10 t/m
2
Según estas hipótesis el espesor de suelos en los que se va a
generar fricción por expansión (HE) es igual a la suma de la
profundidad a la que se encuentra el manto expansivo (DE) más
el espesor del suelo que puede sufrir incrementos de humedad
(DW):
HE = DE + DW = 3,00 m + 2,00 m = 5,00 m
Al espesor comprendido entre los -5,00 metros y -6,50 metros se
lo considerará como neutro, en el sentido que no va a expandir
porque no se va a humedecer, y no colabora en la resistencia
del arrancamiento o a la compresión.
En función de ello, se proponen tres alternativas de fundación,
dependiendo de las características de las cargas:
79
1.
Fundación de pórticos: Estos elementos están sometidos
a cargas de compresión y tracción de 110 y 85 toneladas
respectivamente. Se recomienda utilizar pilotes excavados
y hormigonados in situ con o sin ensanche en la base, que
sobrepasen los estratos potencialmente expansivos (-6,50
metros).
2.
Fundación de reactores y transformadores: En estos
casos, el criterio de diseño se basa en transmitir una
tensión de contacto en las fundaciones (zapatas aisladas o
corridas)
lo
suficientemente
alta
para
evitar
los
hinchamientos. Para lo cual, las fundaciones deben
2
transmitir una tensión de trabajo aproximada de 30,0 t/m .
En caso de cargas transitorias esta tensión se puede
aumentar en 1,7 veces.
3.
Fundaciones
de
equipos,
aisladores,
kioscos,
edificios, etc: Se recomienda utilizar pilotes excavados y
hormigonados in situ con o sin ensanche en la base, que
sobrepasen una profundidad de -6,50 metros. Pueden
plantearse dos alternativas, una primera considerar la
fuerza de tracción generada por la expansión de la arcilla y
compensarla con el fuste y el ensanchamiento del pilote
embebido en un suelo estable.
80
La otra alternativa consiste en aislar la zona en donde se
desarrolla la fricción por expansión (HE = 5,00metros)
mediante la colocación de un caño (PVC, PRFV, acero)
pintado externamente con una capa de 5,0 mm de pintura
bituminosa. Esto genera una disminución de la fricción
HW
-8.00
Zona Neutra
Arcilla
Estable
-6.50
Arcilla
Potencialmente -5.00
Espesor del suelo que
Expansiva
puede humedecerse
Gravas
con limos
Caño de PVC
1º Etapa
2º Etapa
Excavaciòn del pilote Colocación del
caño pintado
con bitumen
3º Etapa
Colocación de
armaduras
4º Etapa
Hormigonado
DE
HE
pilote suelo.
Figura 4: Método Constructivo
81
5.5 CONCLUSIONES:
 En el caso de las fundaciones con acciones de arrancamiento
(pórticos) podrán emplearse pilotes excavados y hormigonados in
situ.
 En el caso de las fundaciones de los reactores y transformadores,
podrán emplearse fundaciones superficiales de hormigón armado
(zapatas aisladas, vinculadas o plateas).
 Para las fundaciones de las restantes estructuras con cargas
pequeñas (edificios, equipos, etc), podrán emplearse pilotes
excavados y hormigonados in situ dentro del manto de limos
arcillosos compactos.
 En este tipo de estructuras, para aislar la zona en donde se
desarrolla la fricción negativa (HE = 5,00metros) se colocará un
caño (PVC, PRFV, acero) pintado externamente con una capa de
5,0 mm de pintura bituminosa.
 Independientemente de estos criterios de diseño que contemplan
un posible humedecimiento de 2,00 metros, se deberán tomar
precauciones apropiadas para evitar el humedecimiento las arcillas
ubicadas por debajo de los -3,00 metros.
 Estas acciones estarán dirigidas a evitar las infiltraciones de agua
en el subsuelo, para lo cual durante la construcción y la operación,
deberán diseñarse instalaciones adecuadas que impidan el ingreso
de agua superficial o proveniente de cañerías enterradas en el
subsuelo.
82
CONCLUSIONES
En cuanto a las Propiedades Físicas:
 Se clasifica en el Sistema Unificado de Clasificación de suelos (S.U.C.S)
como un CH (Arcilla Inorgánica de alta plasticidad) y dentro del sistema
de Clasificación A.A.S.H.T.O. como un A-7-5 con alto índice de grupo.
 El color oscuro de la arcilla es producto de su composición mineralógica
debido a que no existe contenido de materia orgánica.
 Es un suelo altamente plástico (44 - 63%), presentando un estado de
consistencia plástica para un amplio rango de humedades.
 Es un suelo expansivo (145 – 180%), con una actividad normal,
susceptible a los cambios de volumen (contracción o expansión) casi
para cualquier variación en su contenido de humedad.
 Presenta agrietamiento de contracciones en todas direcciones y en una
gran estructura de bloques por acción de la tensión capilar, generadas
durante el proceso de desecación en estados superficiales.
 Es un suelo susceptible a las variaciones en su contenido de humedad,
por lo que las propiedades físicas y mecánicas están en dependencia de
estas variaciones.
83
En cuanto a las Propiedades Mecánicas:
 Los resultados de la clasificación A.A.S.H.T.O. determinan que esta
suelo no es apto para ser utilizado como base o sub-rasante bajo
pavimentos.
 Los valores de presión de expansión dependen de las condiciones del
suelo al ser ensayado. Las variaciones de éstas causarán un incremento
o decremento en la presión de expansión que hemos obtenido.
 Los parámetros que rigen la resistencia al esfuerzo cortante de la arcilla
son totalmente dependientes del contenido de humedad, la cohesión y el
ángulo de fricción interna que se obtuvieron son el resultado de una
combinación específica de las condiciones del suelo en el momento de
ser ensayado.
 Las propiedades físicas son determinantes en el comportamiento
mecánico de la arcilla, debido a su estrecha relación.
En cuanto al Documento:
 La estructura de este documento tiene una orientación acerca de todas
las etapas técnicas en el desarrollo de una investigación geotécnica de
suelos expansivos, tomando en consideración los elementos teóricos
básicos para la comprensión e interpretación de cada tema analizado,
84
así como los procedimientos de laboratorio y cálculo para la obtención
de resultados confiables.
 El conocimiento adecuado de las propiedades Físicas y Mecánicas de
las arcillas expansivas y su correcta interpretación le permiten al
Ingeniero Civil desarrollar un criterio amplio del manejo y aplicación de
este tipo de suelo en el desarrollo de Obras Civiles.
 La cimentación sobre arcillas expansivas es posible siempre y cuando
se cuantifique con exactitud el grado de expansividad y se tomen las
medidas adecuadas a cada situación, siempre por supuesto del lado de
la seguridad.
 La realización de un estudio geotécnico completo previo a la realización
del proyecto donde se determinan las características geológicas y
geotécnicas del terreno de apoyo de la cimentación es esencial para no
alterar las condiciones de trabajo previstas.
 Será estrictamente necesario tomar las precauciones necesarias para no
producir cambios de humedad durante la ejecución, así como verificar
un saneamiento estanco y una red de drenaje que impida la llegada de
agua a la cota de apoyo.
85
SUGERENCIAS
 El Ingeniero debe desarrollar un criterio amplio en el manejo y utilización
de las arcillas expansivas, por medio del adecuado conocimiento e
interpretación de sus propiedades que le facilitarán el desarrollo de
Obras Civiles que involucren a este tipo de suelo.
 Se debe ampliar el conocimiento de las propiedades de las arcillas
expansivas por medio de otras investigaciones geotécnicas del mismo
nivel que complementen nuestros conocimientos adquiridos.
 Realizar
investigaciones
orientadas
a
la
determinación
de
las
propiedades químicas de las arcillas expansivas, así como, al desarrollo
de técnicas de estabilización para el mejoramiento de sus propiedades.
 El ingeniero Civil debe ser cuidadoso al momento de diseñar y ejecutar
obras civiles, donde existan estratos de Arcilla expansiva; para evitar
contratiempo, pérdidas económicas y daños en las estructuras; debido a
la inestabilidad que pueden producir las propiedades físicas y mecánicas
de este suelo.
 El ingeniero civil al tratar con este tipo de suelos debe profundizar en el
conocimiento de sus propiedades por medio de documentos del tema
como el presente documento, y/o ser asesorado por especialistas en el
tema, así como, realizar todo los ensayos necesarios para identificar las
86
propiedades que considera indispensables y le permitan poder tomar las
mejores decisiones para el buen desarrollo de su trabajo.
87
BIBLIOGRAFÍA
 AUTOR:
Ing. Javier Navarro Veliz Cip 45152
Tec. Ricardo Oré Flores.
TITULO:
Introducción A La Mecánica De Suelos.
EDITORIAL:
Universidad Peruana Los Andes.
EDICION:
1ra Edición.
PUBLICACIÓN:
Impreso En Perú Edición – 2003.
 AUTOR:
Braja M. Das. California Estate University,
Sacramento
TITULO:
Principio de Ingeniería de Cimentaciones.
EDITORIAL:
EDAMSA IMPRESIONES, S. A. DE C. V.
EDICION:
5ta Edición.
PUBLICACIÓN:
Enero - 2006.
 AUTOR:
Ralph B. Peck.
Walter E. Hanson.
Thomas H. Thornburn.
TITULO:
Ingeniería de Cimentaciones.
EDITORIAL:
LIMUSA NORIEGA EDITORES, S. A. DE C. V.
EDICION:
10ma Edición.
PUBLICACIÓN:
1998.
88
 AUTOR:
TITULO:
Universidad Nacional de Ingeniería.
Mecánica de Suelos Aplicada a las Cimentaciones
Superficiales.
EDITORIAL:
UNI.
EDICION:
1ra Edición.
PUBLICACIÓN:
Abril del 2006.
 AUTOR:
TITULO:
Universidad Nacional de Ingeniería.
Diplomado de Capacitación Profesional Ingeniería
Geotécnica Aplicada a la Ingeniería Civil. EMSEGE.
EDITORIAL:
UNI.
EDICION:
1ra Edición.
PUBLICACIÓN:
Abril del 2004.
 AUTOR:
Carlos Crespo.
TITULO:
Mecánica de Suelos y Cimentaciones.
EDITORIAL:
LIMUSA, S.A.
EDICION:
4ta Edición.
PUBLICACIÓN:
1998.
 AUTOR:
Juárez Badillo.
Rico Rodríguez.
TITULO:
Fundamentos de la Mecánica de Suelos.
EDITORIAL:
LIMUSA, S.A.
EDICION:
Tomo I.
89
PUBLICACIÓN:
2000.
 AUTOR:
Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento.
TITULO:
Reglamento nacional de Edificaciones – Norma E50.
CORREO:
http://www.capeco.org/info_histo1.htm.
ACCESO:
10/11/2006.
 AUTOR:
Laboratorio de Geotecnia, Universidad Mayor de San
Simón
TITULO:
Mecánica de Suelos.
CORREO:
http://www.geotecnia.edu.bo/.
ACCESO:
10/11/2006.
 AUTOR:
Facultad de Ingeniería, Naturam Subiecit Allis.
TITULO:
Manual de Prácticas.
CORREO:
http://www.fing.uach.mx/licenciaturas/civil/
ACCESO:
11/11/2006.
 AUTOR:
Universidad Católica del Norte.
TITULO:
Laboratorio de Mecánica de Suelos.
CORREO:
http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/
ACCESO:
11/11/2006.
 AUTOR:
Tesis Doctorals en Xarxa.
90
TITULO:
Análisis Multi-Componente No Isotermo En Medio
Poroso Deformable No Saturado.
CORREO:
http://www.tdx.cesca.es/TESIS_UPC/
ACCESO:
13/11/2006.
 AUTOR:
Cámara Costarrice de la Construcción.
TITULO:
Arcillas de Alta Expansividad.
CORREO:
http://.www.contruccion.co.cr
ACCESO:
13/11/2006.
ANEXOS
A DEL
ANEXO O1
CO
EDA
FORES
TAL
R.
IS
La Union
Ho
la
Pr
ia
le
RIEGO
LAS COLINAS
LA
S
UR
ITAS
Las M
MARGAR
Es
pa
ña
Al
em
an
ia
nd
a
In
gl
at
LAS erra
W
AM
B
S
El Pina
r
RE
Los No
gales
Los gu
inda
les
FL
O
MDO
.
alvinas
LA
CLAVELES
GERANIOS
CUZC
O
DE
YA
AZUCEN
AS
LA
S
S
GLAD
IOLO
AMAP
OLAS
ALAM
DE
IA
AR
Prolg.
ALAM
EDA
LE
M
HOS
PI
D. A T.
.
CAR
RIO
N


LOS ANGELES
Sa AS

de n Vic ILO 
Pa en  
ul te 

CA
M
D PO
TI E
RO
TREB
OLES
N
MALECO
MA
S
AS
L
DE
TA
UA
N
AN
NJ


LA UNION
ESCALA: 1/2000
RI
SA
A
LC
L
HU
OS
LLE

RETAMAS
ALIA
SD
S
LOS ALISOS
CATALINA HUA
NCA
CA
CH JAS
IC
O
LOS CLAVELE
S
ES
LOS ROSAL
C
.E
UNANUE .
Prosopio
HIPOLITO
CARDO

CE
ME
GE
NE NT.
RA
L
n
LA
IN
El Sol
El Sol
ARCILLAS EXPANSIVAS
EL TAMBO
DISTRITO:
HUANCAYO
PROVINCIA:
DIC - 2006
FECHA:
UBICACION Y LOCALIZACION
PLANO:
PROYECTO:
ESCALA: 1/500
A


INDICADA
01
ESCALA:
LAMINA:
AS
LC
L
U
AR
I
SH
O
I
R
UA
N
M



TA
AN
SA
NJ
PS
JE
.S
CA
LLE

UBICACION
.O.D
eus
tua
FL
OR
ID
A
Pro
lg. A
r
CIA
DEN
DEPNE
La Ma
ondi
Alejandro Deustua
LOCALIZACION


PARR
GRANJA
U.N.C.P.
Santa Rosa
CA

Cañete


 
 

Las Casuarinas
artín
.O.D
eust
ua

JE
.S
PS

CARRION
HOS
CON TAL
FOR
D

 
  
  
 

lg. A
El Sol

San Martin
Pro
IA


PANAMA
LORETO
C.E.

 
 


ENC
ND
INDEPE
La Mar
Carrión
e
Novie
mbr


MDO
.
El Sol
13 de
ondi
Alejandro Deustua
DA Unanue
SA


SAN MARTIN
COLON
DANIEL ALCIDES
Raym
Bolivar
Sucre


C
OR L.
TE
GA
Raym
Carrió
PARR
A
MONTES
C.E.
San M
OR
I
FL
MA
NTES




Santa Rosa
AG
UA
ISLASV
IR LAS DE
G
BUENOSEN
AIRES
ES
VIENTOS
DEL RIEGO
LA
ALEJADRO O. DEUSTUA
Unanue
R
LOS DIA
SU
ES B.
T
EL AC
E C IO
TR N
IC
A

LIMA
A
NT
A
OS
LA MERCED
P
PA IO
TA
GO
O
Psje.
CAMA
RG
C.
J.
SA
TE LES
CN IAN
IC O
O
PASEO LA BRE
ÑA
Samaniego
BOSQUES
CASITA
O
Bonilla T
IN
LL
MI
SANT
A ROSA
LOS MINERALES
PANAMA
Claveles
ALFA
Castañeda
 
  
 
 

CH
AY
MA
TACNA
 
 
 




 


  
 

HUANCAVELICA
C. Alegria


SA
ST LES
A. IAN
RO O
SA
Las Casuarinas
artín
PRADERAS
LOBATO
CU
PARRA

TRUJILLO
TU
13 DE NOVIEMBRE
HUANCAVELICA
2 DE MAYO
P
A.A arqu
.C e
ac
ere
s
Torres
 
 
 
 

JUNIN
o
nic
ALEJADRO O. DEUSTUA
c
lite
Po
PUNO
re
COLON

LIBERTAD
Guadalupe osé
nJ
Sa
San Martin
AS
San M
Novie
mb
MB
L
13 de
WA
Cañete
DEL R
IEGO
ICA NUEVA
LIMA
AV. DANIEL A. CARR
ION
Crisanten
os
Olivo
s
Palm
era
s
ANEXO O2
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO
MÉTODO POR TAMIZADO
Tipo de Exc.
: Perforación
Muestra
: N°01
Prof. (m)
: 3.00 m
MÉTODO HIDROMETRICO
DESCRIPCIÓN DE LA
MUESTRA
TAMIZ N°
DIÁMETRO
(mm)
% QUE
PASA
DIÁMETRO
(mm)
% QUE
PASA
4
4.750
100.00
0.06
96.58
SUCS:
10
2.000
99.91
0.02
89.98
CH: Arcilla Inorgánica de
20
0.850
99.66
0.01
86.85
alta plasticidad.
40
0.425
99.36
0.006
82.44
L.L. = 97.50%
100
0.150
98.51
0.002
72.04
L.P. = 38.90%
200
0.075
97.93
0.001
65.71
I.P. = 58.60%
Porcentaje de Arena
2.07%
Humedad Natural: 44.60%
Porcentaje de Limo
25.89%
Peso Unitario = 1642
Porcentaje de Arcilla
72.04%
Porcentaje que Pasa %
CURVA GRANULOMETRICA
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10.0000
1.0000
0.1000
0.0100
0.0010
Diametro de las Particulas (mm)
0.0001
ANEXO 03
LIMITES DE CONSISTENCIA
Proyecto
Solicitante
Ubicación
Tipo de Exc.
Muestra
Prof. (m)
: Huancayo
: Perforación
: N°01
: 3.00 m
LIMITE PLÁSTICO
ENSAYO N°
Número de Tarro
Tarro + Suelo húmedo
Tarro + Suelo seco
Agua
Peso del Tarro
Suelo Seco
% de Humedad
LIMITE LIQUIDO
ENSAYO N°
Número de Golpes
Número de Tarro
Tarro + Suelo húmedo
Tarro + Suelo seco
Agua
Peso del Tarro
Suelo Seco
% de Humedad
2
6.45
5.08
1.37
1.62
3.46
39.60
1
5.98
4.78
1.205
1.62
3.155
38.19
1
2
17
3
19.4
10.9
8.5
2.3
8.6
98.84
58
4
18.8
10.7
8.1
2.3
8.4
96.43
GRÁFICO DE LIMITE LÍQUIDO
102
% DE HUMEDAD
100
98.0
96.0
94.0
92.0
90.0
10
25
100
NÚMEROS DE GOLPES
Resultados
Límite Líquido
Límite Plástico
Índice Plástico
97.50 %
38.89 %
58.61 %
Observaciones:
Arcilla Inorgánica semi compacto de alta plasticidad
color café claro
ANEXO 04
OTROS ENSAYOS
Proyecto
Solicitante
Ubicación
Muestra
Prof. (m)
: Huancayo
: N°01
: 3.00 m
CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN
Presión de Expansión
Expansión
Kg/cm2
Libre %
1.20
158
RELACIONES GRAVIMETRICAS Y VOLUMETRICAS
RELACIONES GRAVIMETRICAS
Gravedad
Humedad
Peso Volumétrico
Peso Volumétrico
Especifica, Gs Natural Wn
Húmedo, ym (kg/m3)
Seco, yd (kg/m3)
2.71
44.60%
1642
1136
RELACIONES VOLUMETRICAS
Grado de
Relación de Vacíos, e
Porosidad, n
Saturación, Gsat
1.39
58.20%
87%
RESISTENCIA AL ESFUERZO CORTANTE
Ensayo N°1
Ensayo N°2
Humedad Natural, Wn
44.47%
Humedad Natural, Wn
44.47%
Cohesión, c
0.71 kg/cm2 Cohesión, c
0.71 kg/cm2
Ángulo de Fricción, φ
16.7°
Ángulo de Fricción, φ
16.7°
Ángulo de Falla, θ
53.4°
Ángulo de Falla, θ
53.4°
Resistencia al Corte
0.78 kg/cm2
PANEL FOTOGRAFICO
A. PROCESO DE EXTRACCIÓN DE MUESTRA TIPO Mib
Foto N°01: Pozo a cielo abierto.
Foto N°02: Muestra tallada.
Foto N°03: Muestra inalterada
Foto N°04: Moldeado del contorno de la muestra inalterada.
Foto N°05: Aplicación de la parafina liquida al contorno de la muestra.
Foto N°06: Se coloca la tela mosquitero.
Foto N°07: Colocación de la tela de mosquitero sobre la muestra.
Foto N°08: Colocación de la caja de madera sobre la muestra.
B. EQUIPOS DE ENSAYOS DE EXPANSION
Foto N°09: Equipo de Presión de Expansión.
Foto N°10: Equipo de Expansión Libre (Muestra Alterada)