177509559 Suelo Especiales

Captulo 4. Suelos especiales

295

Captulo cuatro

Suelos especiales

Contenido

4 Suelos especiales .....................................................................................................................................................................................295

4.1 Introduccin .......................................................................................................................................................................................297

4.2 Suelos dispersivos ...........................................................................................................................................................................297

4.2.1 Definicin ................................................................................................................................................................................297

4.2.2 Identificacin de arcillas dispersivas .........................................................................................................................298

4.2.2.1 Identificacin de campo ....................................................................................................................................298

4.2.2.2 Identificacin de laboratorio ..........................................................................................................................299

4.2.2.2.1 Ensayo de erosin interna (Pinhole test) ..............................................................................300

Ejemplo 4.1 .............................................................................................................................................................304

4.2.2.2.2 Anlisis qumico del extracto de agua de poros .................................................................305

4.2.2.2.3 Ensayo de doble hidrometra ......................................................................................................306

4.2.2.2.4 Ensayo qumico de fracciones del suelo (Crumb test) .....................................................308

Ejemplo 4.2 .............................................................................................................................................................309

4.2.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con arcillas dispersivas .................................311

4.3 Suelos colapsables ...........................................................................................................................................................................311

4.3.1 Definicin ................................................................................................................................................................................311

4.3.2 Identificacin de suelos colapsables ...........................................................................................................................312



4.3.2.2.1 Ensayo de colapso en suelos ........................................................................................................312

Ejemplo 4.3 .............................................................................................................................................................314

4.3.2.2.2 Ensayo del doble odmetro .........................................................................................................316

4.3.2.3 Relaciones empricas ..........................................................................................................................................318

4.3.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con suelos colapsables ...................................320

4.3.3.1 Estabilizacin fsica .............................................................................................................................................320

4.3.3.2 Estabilizacin qumica .......................................................................................................................................321

4.4 Suelos expansivos ............................................................................................................................................................................321

4.4.1 Definicin ................................................................................................................................................................................321

4.4.2 Identificacin de suelos expansivos ............................................................................................................................322



4.4.2.2.1 Ensayo de expansin libre segn ASTM D-4829 ................................................................323

4.4.2.2.2 Ensayo para la obtencin del ndice de expansin libre modificado ........................324

4.4.2.3.3 Ensayo de expansin controlada segn ASTM D-4546 ...................................................325

Ejemplo 4.4 .............................................................................................................................................................327

4.4.2.3 Relaciones empricas ..........................................................................................................................................329

Mecnica de Suelos. L.M. Salinas, J.H. Yapari, A. Canelas & A. Aranibar

296

4.4.2.3.1 A partir de correlaciones grficas .............................................................................................329

4.4.2.3.2 A partir de tablas ...............................................................................................................................330

4.4.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con suelos expansivos ....................................333


297

4.1 Introduccin

La mayora de los estudios realizados en mecnica de suelos tienen como una de sus principales hiptesis el

considerar al suelo en un estado saturado. Pero, en muchos lugares de nuestro planeta, sobre todo en

aquellos extremadamente ridos, ridos y semiridos el nivel fretico se encuentra varios metros por debajo

de la superficie, encontrndose uno con suelos que no se hallan totalmente saturados, es decir, con suelos no

saturados.

Estos suelos no saturados se constituyen en suelos especiales que en ocasiones presentan

comportamientos problemticos al aumentar su contenido de humedad natural. Los suelos problemticos

especiales se clasifican bsicamente en tres tipos:

Suelos dispersivos

Suelos colapsables

Suelos expansivos

Estos tres tipos de suelos hacen la construccin de fundaciones extremadamente difcil, debido a que por

sus caractersticas especiales pueden llegar a causar en las estructuras grandes movimientos diferenciales

como consecuencia de excesivos asentamientos o levantamientos.

Por ejemplo, en la ciudad de Cochabamba, en el valle de Sacaba especficamente, en las ltimas dcadas se

ha observado la degradacin natural de los suelos debida a la alcalinizacin de los mismos. Esta degradacin

observada ha dado lugar a la presencia de un tipo especial de arcilla denominado arcilla dispersiva, la que fue

detectada en la orilla norte del cauce del ro Rocha en la zona de Arocagua. Al igual que en esta ciudad, las

arcillas dispersivas han sido identificadas en muchos otros pases del mundo, sobre todo en aquellos que

presentan climas ridos a semiridos, como el resultado de una acumulacin de sedimento aluvial y lacustre.

Por otro lado, en los predios del aeropuerto Jorge Wilstermann de la misma ciudad, se ha detectado la

presencia de suelos colapsables. Este tipo de suelo al igual que el anterior se presenta con mayor frecuencia

en lugares de caractersticas ridas, originndose por lo general de depsitos elicos (arenas y/o limos

depositados por el viento, tales como el loess, polvo volcnico, etc.) y depsitos de polvo volcnico.

El objetivo principal de este captulo es la identificacin real de los suelos especiales en un proyecto dado,

teniendo especial cuidado y atencin durante el diseo y construccin en las reas crticas en el que estos

materiales van a ser usados.

4.2 Suelos dispersivos

4.2.1 Definicin

Se denomina dispersin al proceso por el cual las partculas de arcilla de muy pequeas dimensiones, ven

disminuidas sus fuerzas de atraccin molecular por efecto de la presencia de iones de sodio, lo que las vuelve

susceptibles al arrastre o dilucin.

Sherard et al (1976) indica que algunas arcillas naturales se dispersan ante la presencia de agua

relativamente pura, como la originada por precipitaciones. El fenmeno se genera debido a que el agua

presente en los poros del suelo tienen una mayor concentracin de cationes que el agua pura de lluvia

cuando esta ultima ingresa al suelo se produce lo siguiente: por un lado tiende a tomar cationes del agua de

poro para reducir la diferencia de concentracin, lo que genera un desequilibrio entre el complejo de


298

absorcin de la partcula de arcilla y el agua de poro. El resultado es una descompensacin elctrica de la

estructura qumica de la arcilla, aumentando la repulsin electrosttica entre partculas, tendindola al

estado coloidal.

Segn Holmgren et al (1976) la tendencia a una erosin por dispersin depende fundamentalmente del

tipo de catin predominante en la estructura de arcilla, siendo los suelos sdicos mas dispersivos que los que

contienen calcio, potasio y magnesio. Por tanto, las arcillas dispersivas se caracterizan por presentar un

elevado contenido de cationes sodio en el agua presente en sus poros. Estos cationes rodean totalmente a las

partculas de arcilla haciendo que las fuerzas elctricas repulsivas entre partculas excedan a las fuerzas

atractivas, de tal forma que, cuando la arcilla entra en contacto con el agua, sus partculas son

progresivamente desprendidas quedando as en suspensin. Las partculas suspendidas son finalmente

acarreadas hacia los estratos inferiores del suelo, a travs de los orificios dejados por races, la actividad de

roedores o por la desecacin del suelo.

Este tipo de arcilla es sobre todo problemtico cuando es utilizado en la construccin de canales y otras

obras hidrulicas, pero principalmente en la construccin de presas heterogneas donde es utilizado como

material de construccin impermeabilizante, y si no se detecta a tiempo una arcilla dispersiva se dar la

presencia de quebradas profundas y fallas por tubificacin, Fig. 4.1.

Figura 4.1. Falla por tubificacin en una presa debido a la presencia de suelos dispersivos.

Entre sus propiedades fsicas, se tiene:

Al menos 12% de sus partculas (tomadas a partir del peso seco) son ms finas que 0,005 mm.

Tienen un ndice de plasticidad mayor que 4 (IP > 4).

4.2.2 Identificacin de arcillas dispersivas

4.2.2.1 Identificacin de campo

La identificacin de los suelos dispersivos debera comenzar con el reconocimiento en campo, determinar si

existe algn indicio en la superficie como un inusual estampado erosional de tneles y hondonadas

profundas llamados cntaros junto con la turbidez excesiva en cualquier depsito de agua, Fig. 4.2.


299

Las reas de produccin con poca cosecha y el crecimiento mal desarrollado y el afloramiento superficial

de sales, Fig 4.3, tambin pueden indicar suelos altamente salinos, muchos de los cuales son dispersivos.

Figura 4.2. Orificios superficiales producto de la tubificacin de la arcilla dispersiva.

Figura 4.3. Afloramiento superficial de sales.

4.2.2.2 Identificacin de laboratorio

Para la identificacin de arcillas dispersivas en laboratorio, el Servicio de Conservacin de Suelo de EEUU

(SCS) recomienda la realizacin de al menos tres de los cuatro siguientes ensayos de laboratorio:

Ensayo de erosin interna (Pinhole test propuesto por Sherard et al) segn ASTM D4647-93.

Anlisis qumico del extracto de agua de poros (propuesto por Sherard et al)

Mtodo estndar para las caractersticas de suelos arcillosos por doble hidrometra segn ASTM

D4221-90.

Ensayo qumico de fracciones de suelo (Crumb test propuesto por Emerson) segn ASTM 6572.

A continuacin se desarrolla el procedimiento para la realizacin de cada uno de estos ensayos.


300

4.2.2.2.1 Ensayo de erosin interna (Pinhole test)

El ensayo de Pinhole es el ms usado actualmente por la confiabilidad de sus resultados, este ensayo

presenta una medida directa y cualitativa de la dispersividad y consecuente erosin de suelos arcillosos que

es causada por flujo de agua a travs de un pequeo orificio pequeo perforado en la muestra.

Segn norma ASTM D4647-93, existen tres mtodos para realizar este ensayo: A, B y C. La diferencia

bsica entre los tres mtodos es el criterio utilizado para la clasificacin de las caractersticas dispersivas de

la muestra.

El ensayo no se aplica a suelos con menos con menos del 12 % de partculas de 0,005 mm y con un ndice

de plasticidad menor o igual que 4.

A continuacin en la tabla 4.1 se presenta la notacin utilizada para la clasificacin de las arcillas

dispersivas, usadas en los mtodos A, B y C respectivamente.

Tabla 4.1. Notacin utilizada para clasificacin de las caractersticas dispersivas de la muestra segn el mtodo A, B y C

respectivamente (American Society for Testing and Materials, ASTM D4647 1999).

Mtodo A

Clasificacin Observaciones

D1 D2

ND4 ND3

ND2 ND1

Arcillas dispersivas que fallan rpidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua.

Arcillas ligera a moderadamente dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 50

mm o 180 mm de columna de agua.

Arcilla no dispersiva con evidencia de muy ligera a no erosin coloidal bajo cargas de 380

mm o 1020 mm de columna de agua.

Mtodo B

Clasificacin Observaciones D

SD

ND

Arcillas dispersivas que erosionan rpidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua.

Arcillas ligeramente dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 180 mm de

columna de agua.

Arcillas no dispersivas en las que se observa muy ligera a no erosin coloidal bajo cargas de

380 mm de columna de agua.

Mtodo C

Clasificacin Observaciones

D1 D2

ND4 ND3

ND2 ND1

Arcillas dispersivas que fallan rpidamente bajo cargas de 50 mm de columna de agua.

Arcillas dispersivas que erosionan lentamente bajo cargas de 50 mm, 180 mm o 380 mm de

columna de agua.

Arcilla no dispersiva con evidencia de muy ligera a no erosin coloidal bajo cargas de 380

mm de columna de agua.

La tabla 4.2 presenta los criterios que se deben tomar en cuenta para la clasificacin de arcillas

dispersivas por medio de los mtodos A, B y C.


301

Tabla 4.2. Criterios para evaluar los resultados del ensayo de erosin interna y determinar la clasificacin de las

caractersticas dispersivas de la muestra segn el mtodo A, B y C respectivamente (American Society for

Testing and Materials, ASTM D4647, 1999).

Mtodo A

Clasificacin

Carga

(mm)

Tiempo

de

ensayo

(min)

Cantidad final de

flujo a travs de

la muestra

(ml/s)

Color de flujo al final del ensayo Dimetro del

orificio despus

del ensayo

(mm)

Del costado (a)

Del tope (b)

D1

D2

ND4

ND3

ND2

ND1

50

50

50

180

380

1120

1120

5

10

10

5

5

5

5

1,0 1,4

1,0 1,4

0,8 1,0

1,4 2,7

1,8 3,2

>3,0

3,0

Oscuro

Moderadamente

oscuro

Levemente oscuro

Apenas visible

Claro

Perfectamente

claro

Muy oscuro

Oscuro

Moderadamente

oscuro

Levemente

oscuro

Apenas visible

Perfectamente

claro

2,0

>1,5

1,5

1,5

1,5

1,5


302

Una vez en el laboratorio, se deben quitar de la muestra todas las partculas de grava y arena cuyo

tamao sea mayor a 2 mm.

1. Cortar o tallar una muestra de 38 mm de longitud de tal manera que entre exactamente en el cilindro

de ensayo, Fig. 4.4.

Figura 4.4. Piezas del molde donde es colocado el espcimen.

2. Dentro el cilindro del aparato principal, acomodar una capa de arena gruesa de aproximadamente 53

mm de espesor.

3. Cubrir la capa de arena gruesa con dos mallas de alambre circulares.

4. Introducir la muestra de suelo previamente cortada teniendo el cuidado de sellar con arcilla la

interseccin entre el tubo y la muestra para evitar que el flujo de agua ocurra a travs de las paredes

de la muestra

5. Insertar el cono truncado o niple en la parte central de la muestra.

6. Insertar la aguja de 1,0 mm de dimetro a travs del cono trunco hasta traspasar totalmente la

muestra y penetrar ligeramente en la capa de arena, Fig. 4.5.

Figura 4.5. Perforacin del orificio interno.

7. Acomodar una malla de alambre circular para proteger la muestra

8. Luego llenar el espacio sobrante con arena gruesa.


303

9. Conectar el aparato de erosin interna al sistema de generacin y medicin de carga de agua.

10. Un esquema del resultado final del procedimiento de armado del equipo se presenta en la figura 4.6.

Figura 4.6. Dibujo esquemtico del equipo del ensayo de pinhole.

Procedimiento del ensayo

La duracin del ensayo y el criterio de finalizacin del mismo dependen del comportamiento de la muestra

durante la ejecucin del ensayo, debiendo registrarse los datos de caudal y color del agua luego de fluir a

travs de la muestra.

Las denominaciones para la clasificacin del agua en funcin a su color, luego de su paso por el orificio

perforado, son: muy oscuro, oscuro, moderadamente oscuro, levemente oscuro, apenas visible y

completamente claro.

1. Se procede a hacer circular agua destilada a travs del orificio perforado bajo una carga hidrulica

inicial de 50 mm. de columna de agua, Fig. 4.7.

2. Medir el tiempo en el que fluyen a travs de la muestra 25, 50 o 100 ml y con el dato registrado

calcular el caudal. De cada volumen de agua colectado definir el nivel de turbiedad y registrarlo.

Repetir el procedimiento de manera continua durante 5 minutos.

3. Si pasados los 5 minutos inciales el agua efluente es muy oscura y el caudal se encuentra entre 1,0 a

1,4 ml/s se debe dar por concluido el ensayo. Sacar la muestra del aparato, hacer un corte y

determinar el dimetro final del orificio.


304

Figura 4.7. Ejecucin del ensayo. Aplicacin de la primera carga.

4. Si el dimetro final del orificio es mayor a dos veces el dimetro de la aguja clasificar el suelo como

altamente dispersivo, D1. De lo contrario la tasa de flujo y el orificio son inconsistentes y el ensayo

debe repetirse.

5. Si pasados los 5 minutos el efluente es oscuro pero el caudal no excede en 1,0 ml/s, continuar el

ensayo por 5 minutos mas.

6. Al final de los 10 minutos totales, si el efluente sigue oscuro, parar el ensayo y determinar la

dimensin final del orificio.

7. Clasificar la muestra como dispersiva D2 si el caudal se encuentra entre 1,0 y 1,3 ml/s y el tamao

del orificio excede en 1,5 veces el dimetro inicial. Pero si la tasa de flujo se encuentra entre 0,8 y 1,0

ml/s y el dimetro final del orificio no excede en 1,5 veces el dimetro original del orificio, el suelo

debe ser clasificado como moderadamente dispersivo, ND4.

8. Si pasados los 10 minutos el efluente no es oscuro entonces proceder a aumentar la carga hidrulica

a 180, 380 y 1020 mm de columna de agua.

9. El proceso explicado anteriormente es repetido para cada incremento de carga hidrulica.

Ejemplo 4.1

ENSAYO DE EROSIN INTERNA

(ASTM-D4647)

Ensayo de erosin interna N: Dimetro final, (mm): 2,50

Muestra N: Fecha:

Contenido de humedad, (%): 12% Pgina:


305

Tabla 4.3. Datos del ensayo de erosin interna.

Tie

mp

o

Alt

ura

de

ca

rga

H m

m.

Flujo

Ve

loci

da

d m

l/se

g.

Turbiedad del costado (a)

Co

mp

leta

m. c

laro

de

l

top

e

Partculas

que caen con

el flujo

Observaciones V

olu

me

n m

l.

Tie

mp

o s

eg

.

Mu

y o

scu

ro

Osc

uro

Mo

d. o

scu

ro

Le

v. o

scu

ro

Ap

en

as

vis

ible

Co

mp

let.

cla

ro

Nin

gu

na

Alg

un

as

Mu

cha

s

9:30 50 10 25 0,4 / /

10 8 1,25 / /

25 18 1,39 / /

25 17 1,47 / / Sumamente coloidal




9:35 25 14 1,78 / / Parar el ensayo

Clasificacin: ND3

(a) = lectura realizada del lado lateral del recipiente.

4.2.2.2.2 Anlisis qumico del extracto de agua de poros

Este es un ensayo usado principalmente por el USDA (U. S. Department of Agriculture). El objetivo principal

de este ensayo es la determinacin de las cantidades de los cuatro cationes metlicos principales presentes

en el agua los cuales son: sodio, magnesio, calcio, y potasio.


Para la realizacin de este ensayo se deben seguir los siguientes pasos:

1. Mezclar el suelo con agua destilada hasta alcanzar una consistencia cercana a la del lmite lquido.

2. Una vez alcanzada la saturacin en el suelo; el agua presente en los poros del suelo es extrada al

vaco por medio de un filtro.

3. El agua extrada es ensayada para determinar la cantidad existente de los cuatro cationes metlicos

principales presentes en el agua: Calcio, Sodio, Potasio y Magnesio, en meq/L.

4. La suma de las cantidades de estos cuatro cationes es conocida como el total de sales disueltas (TDS:

Total Disolved Salts), siendo el porcentaje de Sodio; que es el que interesa cuando se trabaja con

arcillas dispersivas; igual a la cantidad de Sodio dividida entre el TDS.

5. Con los valores determinados de TDS y porcentaje de Sodio, con ayuda de la figura 4.8 se puede

determinar el grado de dispersividad de las arcillas.

A travs de varios estudios realizados a lo largo del tiempo se ha establecido mediante los resultados

obtenidos, que el ensayo de erosin interna y el anlisis qumico del extracto de agua de poros mantienen

una relacin muy estrecha, habiendo podido comprobarse que los suelos clasificados como dispersivos

mediante el ensayo de erosin interna caen tambin en la zona A de la figura 4.8.


306

Figura 4.8. Relacin entre porcentaje de Sodio Na (%) y el total de sales disueltas (TDS) (Journal of geotechnical

engineering division, 1976).

4.2.2.2.3 Ensayo de doble hidrometra

El ensayo de doble hidrometra se halla estandarizado segn Norma ASTM D4221-90 y consiste bsicamente

de la realizacin de dos ensayos del hidrmetro en suelos tamizados a travs de la malla de 2,36 mm, Fig. 4.9.

Los ensayos del hidrmetro son conducidos, el primero con dispersante y el segundo sin el agente

dispersante. Luego se comparan los resultados obtenidos de ambos ensayos realizados y partir de esta

comparacin se obtiene el grado de dispersin de las arcillas.

El porcentaje de dispersin es calculado a partir de la siguiente ecuacin:

(Ec. 4.1)

Figura 4.9. Materiales para el ensayo del doble hidrmetro.


307

Preparacin de la muestra

Se deben tomar aproximadamente 200 g de la muestra de suelo que llega al laboratorio. Esta porcin de

suelo debe ser tamizada a travs del tamiz N 10 (2 mm.). Si la muestra es muy hmeda, debe ser disgregada

con ayuda de las manos, forzndose de esta manera a que el material pase a travs del tamiz y luego tomar

una muestra representativa de 100 g para la determinacin del contenido de humedad.


Los pasos a seguir para la realizacin de este ensayo son los siguientes:

1. Tomar una porcin de suelo que pase el tamiz N 10 y secarla al horno. Usando el mtodo del

hidrmetro tradicional, determinar la fraccin de suelo cuyo tamao es menor a 5 m.

2. Por otro lado, se debe colocar agua destilada (125 ml aproximadamente) en un frasco filtrante.

3. Tomar una muestra representativa de la porcin de suelo secada al horno, y colocarla en el frasco

filtrante junto con el agua destilada.

4. Una vez que el frasco es tapado apropiadamente, conectarlo a la bomba de vaco, teniendo cuidado de

que la muestra se halle completamente humedecida.

5. Despus de que el frasco permanece un tiempo pertinente en la bomba de vaco, agitarlo varias veces

hasta que desparezcan todas las burbujas.

6. Transportar la suspensin agua-suelo del frasco filtrante al cilindro de sedimentacin y aadir agua

hasta alcanzar a 1 litro.

7. Agitar el cilindro de sedimentacin durante un periodo de 1 min, inicindose aqu el proceso de

sedimentacin.

8. A partir de esta parte del ensayo, el procedimiento y los clculos necesarios para determinar la

fraccin de suelo menor 5 m, son los mismos realizados en el ensayo tradicional del hidrmetro.

A manera de ilustracin se presenta en la figura 4.10 los resultados obtenidos a partir de la realizacin de

un ensayo de doble hidrometra.

Figura 4.10. Resultados del ensayo de doble hidrometra.


308

Finalmente, se considera que una arcilla es dispersiva cuando el porcentaje de dispersin excede el 35%

y en aquellos con un porcentaje de dispersin menor que el 15% no son susceptibles a la dispersin.

4.2.2.2.4 Ensayo qumico de fracciones del suelo (Crumb test)

Este ensayo es un mtodo bastante simple de identificacin de arcillas dispersivas tanto en campo como en

laboratorio. La dispersividad del suelo es determinada a partir de su clasificacin en cuatro grados o

categoras que se diferencian de acuerdo a la reaccin suelo-agua que se presenta en el ensayo.

Grado 1

No dispersivo: No se produce reaccin, el suelo puede deshacerse, pero no se crean nubosidades en el agua

(no existen partculas en suspensin coloidal). Todas las partculas se asientan durante la primera hora.

Grado 2

Intermedio: Existe una ligera reaccin. Este grado constituye el grado de transicin. Se observa turbidez en

el agua en regiones cercanas al terrn o alrededor de todo ste. La suspensin coloidal que ocurre es apenas

visible. En caso de que las nubosidades sean claramente notorias se debe asignar el grado 3.

Grado 3

Dispersivo: Existe una reaccin moderada. Alrededor de toda la muestra se observa una nube, claramente

visible, de partculas de arcilla en suspensin coloidal. La nube puede extenderse hasta 10 mm ms all de la

masa de suelo a lo largo del fondo de la probeta.

Grado 4

Altamente dispersivo: Se observa una reaccin muy fuerte, caracterizada por una nube densa formada de

partculas de arcilla en suspensin coloidal, las que se extienden a lo largo de todo el fondo de la probeta.

Ocasionalmente, la dispersin del terrn de suelo es tan extensiva que resulta muy difcil el determinar la

interface entre el terrn de suelo original y la suspensin coloidal.


Segn norma ASTM 6572 existen dos mtodos para la realizacin de este ensayo. La diferencia principal

entre ambos es que uno trabaja con una muestra de suelo natural (mtodo A) y el otro trabaja con una

muestra remoldeada de suelo (mtodo B).

El terrn de suelo debe ser preparado a partir de la fraccin de suelo que pasa el tamiz N 10,

conservando el contenido de humedad natural de ste. Para el mtodo A, a partir de una muestra

representativa de suelo, se toma un terrn de forma irregular que tenga un volumen equivalente al de un

cubo de 15 mm de lado.

Para el mtodo B la muestra consiste de un cubo de 15 mm de lado, remoldeado a partir de una muestra

de suelo representativa.


309


1. Luego de seleccionado el mtodo a seguir, se prepara el terrn de acuerdo al procedimiento ya

explicado.

2. Llenar una probeta con 250 ml de agua destilada, y dejar que la temperatura se estabilice durante

aproximadamente 6 horas.

3. Colocar cuidadosamente la muestra en la probeta, teniendo cuidado de depositarla justo en el fondo

de la misma.

4. No se debe vibrar ni mover el conjunto agua-suelo debido a que esto distorsiona los resultados

obtenidos.

5. A medida que el terrn empieza a absorber agua, se puede observar la tendencia de las partculas de

tamao coloidal a ir en suspensin.

6. El grado de dispersin es determinado al cabo de los 2 min, 1h y 6 h, debiendo registrarse tambin en

estos intervalos, la temperatura a la que se encuentra el agua.

A manera de ilustracin en la figura 4.11 se presenta las fotografas tomadas de dos tipos de muestras, en

la parte superior de la fotografa se presenta una muestra de suelo altamente dispersivo, por otro lado, en la

parte inferior tenemos la presencia de una muestra de suelo no dispersivo.

Figura 4.11. Resultados en el ensayo qumico de fracciones del suelo.

Ejemplo 4.2

Determinar las caractersticas dispersivas de siete muestras de suelo con los siguientes tres ensayos:

1. Ensayo de Crumb.

2. Ensayo del Doble Hidrmetro.

3. Ensayo del Pinhole.

A continuacin se indican las muestras ensayadas:

Muestras de la Laguna de Oxidacin de San Jos (Muestras N 1 y 2).

Muestra de la Cantera de UNICON (Muestra N 3).

Muestra del Proyecto Rehabilitacin de la Carretera Ilo-Desaguadero (Muestras N 4 y 5).

Muestra de la Presa Tinajones (Muestra N 6).

Muestra de la Presa Cuchoquesera (Muestra N 7).


310

Resultados de ensayos

En la tabla 4.4 se muestran los resultados previos a los ensayos de dispersin para cada una de las

muestras investigadas. Con las muestras 4 y 5 no se realiz el ensayo de compactacin.

Tabla 4.4. Caractersticas de los suelos analizados.

Muestra

N

(%)

Clasificacin

USCS

Peso

especfico

Limites de Atterberg (%) Proctor estndar

Lmite

lquido

Lmite

plstico

ndice de

plasticidad

COH

1

2

3

4

5

6

7

7,93

4,93

15,81

21,12

16,44

3,44

27,81

SC

SC

CL

CL

CL

CL

CL

2,695

2,710

2,700

2,623

2,710

2,707

2,762

35,25

37,00

27,90

32,32

39,69

28,32

45,40

23,56

17,91

18,04

20,30

18,69

14,14

26,06

11,69

19,09

09,86

12,02

21,00

14,18

19,34

1,869

1,803

1,875

-

-

1,883

1,527

12,8

16,0

14,0

-

-

12,9

26,2

En la tabla 4.5 se puede apreciar los resultados de dispersin de las muestras indicadas. Cabe mencionar

que el Ensayo de Pinhole se realiz con varios tiempos de curado, remoldeado al contenido de humedad

natural para las muestras 4 y 5, en las que no se contaba con los datos del grado ptimo; para el resto se

evalu al contenido del ptimo sin curar y con tiempos de curado de 24 horas, 48 horas y 7 das.

La nomenclatura empleada para clasificar un suelo dispersivo del Ensayo de Pinhole segn el Mtodo A y

C es la siguiente:

Dispersivo (D1,D2)

Dispersivo leve a moderado (ND4,ND3)

No dispersivo (ND2,ND1)

Tabla 4.5. Resultados de los ensayos de dispersin.

Muestra N Ensayo de Crumb Ensayo del doble hidrometro Ensayo de Pinhole

1

2

3

4

5

6

7

Grado 2

Grado 1

Grado 3

Grado 3

Grado 1

Grado 1

Grado 1

Dispersivo

No dispersivo

No dispersivo

No dispersivo

Dispersin intermedia

Dispersin intermedia

No dispersivo

Referencias de la tabla 4.5:

(2) Espcimen remoldeado en su contenido de humedad natural

(3) Espcimen remoldeado en su COH y sin ningn curado

(4) Espcimen remoldeado en su COH y 24 horas de curado

(5) Espcimen remoldeado en su COH y 48 horas de curado

(6) Espcimen remoldeado en su COH y 7 das de curado


311

Luego de estos resultados, podemos concluir:

Las muestras 2 y 7 no son dispersivas

La dispersin del resto de las muestras vara de ligera a alta

El tiempo de curado en el estado compactado de los especmenes influye en los resultados del ensayo

de Pinhole. A un mayor tiempo de curado, el suelo tiende a ser menos dispersivo.

4.2.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con arcillas dispersivas

Desde principios de los 60, el Servicio de Conservacin del Suelo de EEUU, ha usado varios aditivos qumicos

con el propsito de mejorar el comportamiento de arcillas dispersivas.

Los principales aditivos qumicos usados para este fin son: hidrxido de calcio, sulfato de calcio, sulfato

de aluminio y mezclas de carbonato de calcio y/o carbonato de magnesio.

La cantidad de aditivo qumico utilizada es determinada realizando algunas modificaciones al ensayo de

erosin interna. El aditivo con que se obtuvo mejores resultados es el hidrxido de calcio. Este ha sido

mezclado con arcillas dispersivas con el objeto de reparar principalmente superficies expuestas que se

hallaban muy erosionadas. El proceso de reparacin y/o prevencin consiste bsicamente de excavar el

suelo daado; realizando a continuacin el mezclado y curado respectivo del suelo. Finalmente se procede a

la reposicin del suelo excavado.

4.3 Suelos colapsables

4.3.1 Definicin

Son aquellos suelos no saturados que sufren una brusca disminucin de volumen cuando se saturan parcial o

totalmente, sin la necesidad de un aumento en la presin aplicada. En su gran mayora, estos suelos son de

origen elico y se conocen con el nombre de Loess.

Rogers (1995) cita como caractersticas tpicas, de la mayora de suelos colapsables, las siguientes:

Estructura abierta y macroporosa

ndice de vacios relativamente alto a muy alto

Baja densidad seca

Provienen de depsitos relativamente jvenes o recientemente alterados.

Alta sensibilidad y baja fuerza de enlace entre las partculas.

Un suelo colapsable se encuentra en estado metaestable debido a que la empaquetadura de sus partes

constituyentes es abierta, las partculas estn unidas entre s por fuerzas o materiales cementantes que son

susceptibles a ser anulados o reducidos cuando aumenta el contenido de humedad del suelo, siendo esta la

principal razn por la que, cuando ocurre el colapso se forma una empaquetadura cerrada de volumen

considerablemente menor, como se observa en la figura 4.12.


312

(a) (b)

Figura 4.12. Mecanismo de colapso de una arena colapsable (a) Estructura de suelo cargada antes de la inundacin (b)

Estructura de suelo cargada despus de la inundacin (Rogers, 1995).

4.3.2 Identificacin de suelos colapsables


La granulometra de este tipo de suelos es predominantemente fina, con predominio de fracciones de limos y

de arcilla, el tamao de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos mas grandes

escasamente meteorizados.

Segn informacin geolgica y geomorfolgica este tipo de suelos suele presentarse en regiones ridas y

semiridas, donde se tiene la presencia de depsitos elicos, residuales, aluviales y coluviales.

Un ingeniero geotcnico debe saber identificar los suelos que pudieran colapsar y determinar la cantidad

de colapso que puede ocurrir, los depsitos de suelos ms probables a colapsar son:

Terraplenes o rellenos sueltos.

Arenas alteradas transportadas por el viento.

Lavado de colinas de consistencia suelta.

Granito descompuesto u otra roca gnea cida.


4.3.2.2.1 Ensayo de colapso en suelos

El ensayo para la medida del potencial de colapso de los suelos segn ASTM D5333-92 sigue el

procedimiento propuesto por Jennings & Knight (1975).

Este ensayo tiene por objeto determinar la magnitud del colapso unidimensional que se produce cuando

se inunda un suelo semisaturado. Dicho procedimiento se puede utilizar para determinar, la magnitud del

ndice de colapso , que se produce para una carga vertical (axial) determinada y la magnitud del potencial

de colapso .


313


La muestra debe ser relativamente inalterada preparadas mediante tallado a partir de la muestra original

inalterada. Para determinar el potencial de colapso ( , las muestras deben ser preparadas utilizando

mtodos secos como son: el barreno de doble y bloques extrados manualmente. Cortar el suelo de acuerdo

con las dimensiones del anillo del ensayo de consolidacin unidimensional.


Este ensayo se realiza de manera semejante al ensayo de consolidacin ASTM D-2435, desarrollado en el

Captulo 2, excepto por los siguientes aspectos:

1. Se realiza la aplicacin de varias etapas de carga hasta llegar a = 200 kPa de presin sobre una

muestra de suelo, no disturbada con contenido de humedad natural, colocada en la celda de

consolidacin. La duracin entre cada incremento de carga, antes de la inundacin, debe limitarse a 1

hora, con el propsito de prevenir la evaporacin de la humedad de la muestra

2. Despues de aplicar la carga vertical apropiada (200 kPa), por el tiempo de 1 hora, inundar la muestra

con agua desairada y destilada por 24 horas, registrar las deformaciones vs tiempo segn el ensayo

ASTM D2435.

3. El ndice de colapso , es la magnitud de colapso relativa del suelo determinado bajo una presin de

2 (200 kPa) y se calcula mediante la siguiente ecuacin:

(Ec. 4.2)

Donde:

Deformacin antes de la saturacin.

Deformacin despus de la saturacin.

Altura inicial de la muestra.

4. El potencial de colapso , es la magnitud de colapso relativa del suelo determinado para cualquier

presin vertical. Es determinado a partir de los valores del ndice de vacos, antes y despus de la

inundacin, y respectivamente, Fig. 4.13. Luego, el potencial de colapso, es igual a:

(Ec. 4.3)

Donde:

ndice de vacos natural del suelo.

De la figura 4.13, se puede observar que a pesar que la carga permanece constante, al producirse la

inundacin de la muestra se genera un decremento significativo del ndice de vacos. Este decremento resulta

ser una seal de la presencia de un suelo colapsable.


314

Figura 4.13. Variacin natural del ndice de vacos con la presin para un suelo colapsable (Das, 1999).

La evaluacin de un suelo colapsable ser de acuerdo a las tablas 4.6 y 4.7.

Tabla 4.6.Clasificacin del ndice de colapso, Ie (ASTM D5333-92).

ndice de colapso, (%) Grado de colapso

0

0,1 0,2

2,1 6,0

6,1 10,0

>10,0

Cero

Bajo

Moderado

Moderadamente severo

Severo

Tabla 4.7. Relacin del potencial de colapso con la severidad en problemas de fundaciones (Clemente & Finbarr, 1981).

Potencial de colapso, (%) Severidad del problema

0 1

1 5

5 10

10 20

20

Ningn problema

Problema moderado

Problema

Problema severo

Problema muy severo

Ejemplo 4.3

ENSAYO DE COLAPSO

(ASTM-D5333)

Solicitante: Estado: Inalterado

Proyecto: Muestra:

Ubicacin: Clasificacin: ML

Fecha: Profundidad (m): 1,20 1,80


315

Tabla 4.8. Datos del ensayo de colapso.

DATOS DEL ESPECIMEN

Contenido de humedad inicial, (%)

Contenido de humedad final, (%)

Grado de saturacin inicial, (%)

Grado de saturacin final, (%)

8,3

24,9

23,9

71,7

Altura, h (cm)

Dimetro, (cm)

Gravedad especifica, Gs

1,9

6,0

2,8

ETAPA SIN AGUA

Carga

aplicada

Lectura

final

(mm)

Asentamiento

(mm)

Altura

promedio

(mm)

Altura

drenada

(mm)

Densidad

seca

Relacin

de vacios

(e)

Deformacin

vertical

(%)

0,00 11,950 0,00 19,00 9,50 1,419 0,974 0.0

0,10 11,865 0,08 18,92 9,46 1,425 0,965 0,4

0,20 11,790 0,16 18,84 9,42 1,431 0,957 0,8

0,40 11,710 0,24 18,76 9,38 1,437 0,949 1,3

0,80 11,595 0,35 18,65 9,32 1,446 0,937 1,9

1,60 11,398 0,35 18,45 9,22 1,461 0,916 2,9

ETAPA CON AGUA

Carga

aplicada

Lectura

final

(mm)

Asentamiento

(mm)

Altura

promedio

(mm)

Altura

drenada

(mm)

Densidad

seca

Relacin

de vacios

(e)

Deformacin

vertical

(%)

1,60 5,490 6,46 12,54 6,27 2,149 0,303 34,0

3,20 5,000 6,95 12,05 6,03 2,237 0,252 36,6

Figura 4.14. Curva del ensayo de colapso.


316

4.3.2.2.2 Ensayo del doble odmetro

Jennings & Knight (1956, 1975) desarrollaron el mtodo del doble odmetro. Este mtodo consiste de la

realizacin de dos ensayos de consolidacin: uno realizado sobre una muestra con contenido de humedad

natural y el otro sobre una muestra que se encuentra saturada. Por medio de este ensayo es posible

determinar el valor del potencial de hidrocolapso, w, como funcin del esfuerzo normal. De este modo, es

posible obtener a partir de este ensayo un nuevo parmetro para medir el potencial de colapso.


La preparacin de las muestras para este ensayo es realizada del mismo modo que para el ensayo de

consolidacin unidimensional (ver Captulo 2).


Este ensayo se realiza de manera semejante al ensayo de consolidacin especificado segn norma bajo la

designacin ASTM D-2435. El ensayo de consolidacin en su totalidad ya fue desarrollado en el Captulo 2.

Los pasos a seguir son los siguientes:

1. Ensambladas las dos muestras en el odmetro, someter a las dos muestras a una presin de 1

[kN/m2] durante 24 horas.

2. Pasadas las 24 horas, saturar una de las muestras inundndola durante 24 horas. La muestra restante

debe mantener su contenido de humedad natural.

3. Concluida la inundacin, continuar con la aplicacin de carga hasta alcanzar el nivel deseado (nivel a

ser alcanzado en campo). La aplicacin de los incrementos de carga es realizada del mismo modo que

en el ensayo de consolidacin, ASTM D-2435.

4. Trazar las curvas de consolidacin de laboratorio, para ambos ensayos.

5. Trazar una lnea vertical a travs de o.

6. Determinar la presin de preconsolidacin, c, para la muestra de suelo inundada. Si

el suelo es normalmente consolidado, mientras que si

el suelo es sobreconsolidado.

7. Calcular , que es el ndice de vacos correspondiente al esfuerzo de

para la curva de

consolidacin de laboratorio de la muestra saturada.

8. Por el punto

, dibujar una curva paralela a la curva de consolidacin de laboratorio de la

muestra con contenido de humedad natural.

9. Determinar el incremento de esfuerzo vertical, . Dibujar una lnea vertical correspondiente al

esfuerzo, y trazar por este una vertical.

10. A partir de la vertical trazada, determinar y , Fig.4.15. Luego, el asentamiento o deformacin

producida en el suelo sin cambio en el contenido de humedad natural es:

(Ec. 4.4)

Y la deformacin o asentamiento cuasado por el colapso de la estructura del suelo es:

(Ec. 4.5)


317

Donde:

H = Espesor del suelo susceptible a colapsarse

Luego el ndice de hidrocolapso, w, es determinado como:

(Ec. 4.6)

(a)

(b)

Figura 4.15. Resultados obtenidos a partir del ensayo del doble odmetro (a) Suelo normalmente consolidado (b) Suelo

sobreconsolidado.


318

4.3.2.3 Relaciones empricas

Houston et al (2001) propone el siguiente mtodo de identificacin de suelos colapsables a partir de la

clasificacin de suelos:

Suelos no plsticos: El suelo puede ser colapsable si:

(Ec. 4.7)

Donde:

= Dimetro mayor de partcula correspondiente al 60% ms fino del suelo.

Suelos plsticos: El suelo puede ser colapsable, si:

(Ec. 4.8)

(Ec. 4.9)

Donde:

IP = Valor de normalizacin de suelos plsticos.

=Porcentaje que pasa el tamiz No 200.

La tabla 4.9 presenta varios criterios para la identificacin de los parmetros fsicos de suelos colapsables.

Tabla 4.9. Criterios para la identificacin de suelos colapsables (Das, 1999).

Investigador Ao Criterio

Denisov

Clevenger

Priklonski

Sovietic Building Code

Feda

Benites

Handy

1951

1958

1952

1962

1964

1968

1973

Coeficiente de subsidencia

: Altamente colapsable

: Francamente no colapsable

: Suelos no colapsables

Si el peso unitario seco es menor que 12 KN/ , el asentamiento ser

grande; Si el peso unitario seco es mayor que 14,1 KN/ , el

asentamiento ser pequeo.

: Suelos altamente colapsables

: Suelos no colapsables

: Suelos expansivos

Donde:

= ndice de vacios natural

= ndice de vacios en el lmite lquido

Para un grado de saturacin natural menor que 60%, si L < 0,1, entonces

es un suelo colapsable.

Si

para < 100%, es un suelo subsidente.

Un ensayo de dispersin en el cual 2 g de suelo se dejan caer en 12 ml de

agua destilada, y se toma el tiempo cronometra hasta la dispersin. Un

tiempo de 20 a 30 segundos corresponde a suelos colapsables.

Loess de Iowa con contenido de arcilla (


319

Referencias de la tabla 4.9:

(1)

(2)

(3)

Donde:

= contenido de humedad natural

= Grado natural de saturacin

LP = Lmite plstico

IP = ndice de plasticidad

Por su parte, Holtz & Hilf (1961) sugirieron que cuando un suelo loesial tiene un ndice de vacos despus

de la saturacin, lo suficientemente grande como para exceder su lmite lquido, entonces el suelo es

susceptible al colapso. Luego, para el colapso:

(Ec. 4.10)

Sin embargo, para suelos saturados:

(Ec. 4.11

Reemplazando (4.10) en (4.11), para suelos colapsables, se obtiene:

(Ec. 4.12)

Luego, el peso unitario seco del suelo colapsable es:

(Ec. 4.13)

Para un valor promedio de de 2,65 pueden ser calculados varios valores lmites de para distintos

valores del . La tabla 4.10 presenta dichos valores.

Tabla 4.10. Valores lmites de

para distintos valores del (Das, 1999).

Lmite Lquido

(%)

Valores lmites de

(KN/ )

10

15

20

25

30

35

40

45

20,56

18,60

16,99

15,64

14,48

13,49

12,62

11,86

Das (1999) recomienda que la obtencin de muestras inalteradas de suelo para la determinacin del

potencial de colapso y los pesos unitarios secos, debe ser realizada preferiblemente a partir de bloques de

muestra cortados a mano; debido a que cuando la muestra es obtenida a partir de tubos de pared delgada,

esta puede haber sufrido esfuerzos de compresin durante el muestreo. Sin embargo, si este ltimo

procedimiento es usado, los sondeos deberan ser hechos sin la presencia de agua.

Finalmente, la figura 4.16 es la representacin grfica de la tabla 4.10. Luego, para cualquier suelo, si la

combinacin de y cae debajo de la lnea lmite, el suelo est prximo a colapsar.


320

Figura 4.16. Suelo tipo loess con posibilidad de colapso.

4.3.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con

suelos colapsables

Estabilizacin de suelos es un trmino colectivo para cualquier mtodo fsico, qumico o una combinacin de

cualquiera de ellos, empleados para mejorar ciertas propiedades del suelo natural y as adecuarlos a los

propsitos de ingeniera, (Winterkorn & Pamukeu ,1991).

Cuando se establece la presencia de un suelo colapsable, el proceso de estabilizacin debe ser realizado

antes de iniciar la construccin de la estructura, es decir, antes de iniciar la construccin de las fundaciones.

Este proceso es llevado a cabo para cualquier clase de fundacin a utilizar.

La estabilizacin de suelos colapsables puede ser realizada mediante dos mtodos que son:

Estabilizacin fsica

Estabilizacin qumica

4.3.3.1 Estabilizacin fsica

Es realizada mediante el uso de compactacin dinmica adecuado para compactar mantos de suelos

colapsables con espesores menores a 3,5 metros. El mtodo consiste en dejar caer en cada libre desde una

altura de 4 a 8 metros, pilones de 3 a 8 toneladas sobre la superficie del terreno, a razn de 10 a 16 impactos

en cada lugar. El impacto genera una rotura de la estructura del suelo, un aumento en la presin de poros y

una compresin de aire presente en los poros, produciendo un reacomodo de las partculas, dando como

resultado una estructura ms compacta.


321

Segn Malyshev et al (1993) el contenido de humedad del suelo juega un papel importante, logrndose la

mxima eficiencia con un contenido de humedad cercano al lmite plstico.

4.3.3.2 Estabilizacin qumica

Se logra a travs de la mezcla y posterior compactacin del suelo con agentes qumicos o cementantes, tales

como cemento, cal o materiales bituminosos. Sin embargo, se debe tener en cuenta, que en suelos con

presencia de materia orgnica en un porcentaje mayor al 2%; la accin estabilizadora del cemento es

neutralizada.

4.4 Suelos expansivos

4.4.1 Definicin

Se denominan suelos expansivos a aquellos suelos, sobre todo arcillas, que aumentan de volumen

considerablemente cuando se saturan y luego se contraen al secarse. Los suelos expansivos estn

compuestos por partculas minerales que tienen una gran afinidad por el agua, la absorben del medio

ambiente y la incorporan a su estructura molecular. La inestabilidad mostrada por estos suelos se debe a su

estructura molecular, la que ocasiona una dbil unin entre sus partculas minerales, dada la deficiencia

elctrica del suelo, la expansin ocurre cuando el agua se infiltra en o entre las partculas de arcilla, causando

la separacin de stas.

La afinidad que dichas arcillas tienen por el agua es la causa principal del hinchamiento o expansin que

experimentan, con fuertes presiones de empuje o levantamiento cuando se saturan. Inversamente se

presentan altas contracciones y agrietamientos cuando se secan.

En la naturaleza existen varios minerales de arcilla diferentes, radicando la diferencia en su configuracin

qumica y estructural. Tres son los minerales de arcilla ms comunes: caolinita, ilita y montmorilonita. La

composicin qumica as como la estructura cristalina de estos minerales es diferente y por tanto la

susceptibilidad a la expansin de estas arcillas es tambin diferente, siendo las arcillas montmorilonticas las

de un potencial de expansin muy grande, tabla 4.11.

Tabla 4.11. Potencial de expansin de minerales de arcilla pura (Budge et al, 1964).

Presin de sobrecarga, (kPa) Potencial de expansin, (%)

Caolinita Ilita Montmorilonita

9,6

19,1

Despreciable

Despreciable

350

150

1500

350

La caolinita es esencialmente no expansiva debido a la presencia de fuertes uniones de hidrgeno que

mantienen a las partculas individuales de arcilla juntas. Por otro lado, la ilita contiene uniones de potasio

dbiles que permiten una expansin limitada, al igual que la montmorilonita cuyas uniones son aun ms

dbiles. De esta manera, el agua penetra fcilmente en la motmorilonita y separa sus partculas.

Coduto (1994) afirma que segn observaciones de campo, los mayores problemas ocurren en suelos con

un alto contenido de motmorilonita.


322

Existe otro tipo de fuerzas que influyen en el fenmeno de expansin, estas son:

Tensin superficial en el menisco de agua ubicado entre las partculas.- Esta fuerza tiende a empujar

las partculas juntas comprimiendo el suelo.

Presin osmtica.- Fuerza que tiende a atraer el agua y presionar las partculas expandiendo as el

suelo.

Presin atrapada en los bulbos de aire.- Fuerza que tiende a expandir el suelo.

Esfuerzos efectivos debidos a cargas externas.- Tienden a comprimir el suelo.

Fuerzas intermoleculares de London-Van Der Waals.- Tienden a comprimir el suelo.

Por tanto, cualquier cambio en las fuerzas citadas anteriormente, produce que las arcillas expansivas, se

expandan o contraigan en respuesta a tales cambios.

Por ejemplo, si se considera una arcilla montmorilonita que se halla inicialmente saturada, Fig. 4.17 (a), y

si se supone que se producen cambios en la tensin superficial y en la presin osmtica; el cambio en la

estructura de esta arcilla es observado en las figuras 4.17 (b) y (c).

En la figura 4.17 (b), si se asume que el suelo se seca, el contenido de humedad remanente se reunir

cerca de la interfase entre partculas, formando un menisco en el que las fuerzas de tensin superficial

resultantes producen que las partculas de suelos se contraigan. En esta etapa el suelo puede ser comparado

con un resorte comprimido.

Por tanto, el suelo en la figura 4.17 (b), tiene una gran afinidad con el agua y atraer el agua disponible

por medio de la osmosis. En esta etapa se produce en el suelo un valor de succin muy alto. Luego, si existe

agua disponible en los alrededores, el fenmeno de succin atraer sta al interior de los espacios entre las

partculas del suelo y el suelo se expandir. Fig. 4.17 (c). En esta etapa el resorte ha sido liberado, y quizs

ser ahora forzado hacia fuera.

(a) (b) (c)

Figura 4.17. Expansin y contraccin de una arcilla expansiva (Coduto, 2001).

4.4.2 Identificacin de suelos expansivos


Generalmente, los suelos expansivos caen dentro del grupo de las arcillas finas de alta plasticidad (CH) y en

menor proporcin con las de baja plasticidad (CL), estos suelos tienen consistencia pegajosa al ser mojados y

cuando son secados muestran grietas de retraccin superficiales, Fig. 4.18.

Partculas de arcilla

Agua


323

Figura 4.18. Grietas de retraccin


4.4.2.2.1 Ensayo de expansin libre segn ASTM D-4829

Este ensayo determina el ndice de expansin del suelo compactado, cuando este ha sido inundado. El ndice

de expansin es una referencia para determinar el potencial de expansin del suelo. Este ensayo es realizado

a partir de una muestra inalterada de suelo.


Una vez que la muestra ha llegado al laboratorio, sta debe ser secada ya sea al aire o mediante un horno.

Luego, tamizar la muestra seca en el tamiz No 4.

A partir de la fraccin de suelo que pasa el tamiz No 4, tomar aproximadamente 1 kg de muestra. Ajustar

el contenido de humedad al contenido de humedad ptimo. El valor de este ltimo es obtenido a partir de las

especificaciones tcnicas de compactacin. Luego, proceder a moldear la muestra.

La muestra es adecuadamente compactada en un molde de dimensiones normalizadas. Posteriormente,

ajustar el grado de saturacin de sta a un valor que se encuentre dentro el rango del 49 al 51%.

Procedimiento del ensayo.

Para la realizacin de este ensayo se realizan los siguientes pasos:

1. Colocar la muestra de suelo compactada en el anillo de consolidacin del odmetro.

2. Aplicar a la muestra una presin de 1 (lb/pulg2). Esta presin incluye el peso de las piedras porosas.

3. Despus que la carga ha sido aplicada, dejar a la muestra consolidar por un intervalo de 10 min, al

cabo de los cuales se realiza la lectura inicial.

4. Inundar la muestra en agua destilada y realizar lecturas durante las siguientes 24 horas o hasta que

la muestra se estabilice.

5. Extraer la muestra del aparato y determinar el cambio en la altura , como el resultado de la

diferencia de las alturas inicial y final.


324

6. Calcular el ndice de expansin libre, a travs de la siguiente ecuacin:

(Ec. 4.14)

(Ec. 4.15)

Donde:

Cambio en la altura

Altura inicial, cm

Lectura inicial

Lectura final

El potencial de expansin puede ser estimado a partir del ndice de expansin, vase tabla 4.12

Tabla 4.12. Potencial de expansin estimado a partir del ndice de expansin libre (American Society for Testing and

Materials, ASTM D4829, 1999).

ndice de expansin

EI (%)

Potencial de expansin

0 20

21 50

51 90

91 - 130

Muy Bajo

Bajo

Medio

Alto

4.4.2.2.2 Ensayo para la obtencin del ndice de expansin libre modificado

El ensayo para la obtencin del ndice de expansin libre modificado para arcillas segn Sivapullaiah (1987),

es un nuevo procedimiento que al parecer da mejores aproximaciones del potencial de expansin de suelos

arcillosos.

Para este ensayo, se toma una muestra secada al horno de 10 g de masa. Esta muestra es bien pulverizada

y luego se vierte en una jarra que contenga 100 ml de agua destilada. Luego de 24 horas, se mide el volumen

de sedimento expandido. El ndice de expansin libre modificado, es entonces calculado como:

(Ec. 4.16)

(Ec. 4.17)

Donde:

Volumen de suelo despus de la expansin

Volumen de los slidos del suelo

Peso del suelo secado al horno

Gravedad especfica de los slidos del suelo

Peso especfico del agua

A partir del ndice de expansin libre modificado, el potencial de expansin del suelo, es determinado a

partir de la tabla 4.13.


325

Tabla 4.13. Potencial de expansin a partir del ndice de expansin libre modificado (Das, 1999).

ndice de expansin libre modificado Potencial de expansin

< 2,5

2,5 10

10 20

> 20

Despreciable

Moderado

Alto

Muy alto

4.4.2.3.3 Ensayo de expansin controlada segn ASTM D-4546

Este ensayo es realizado sobre muestras de suelo inalteradas, sirve para determinar la magnitud de

expansin o asentamiento bajo una presin vertical conocida, o determinar la magnitud de presin vertical

necesario para mantener el volumen de altura constante, a su vez presenta tres alternativas para la

determinacin de la magnitud de expansin del suelo. Dichas alternativas se detallan a continuacin:

Mtodo A

Este mtodo determina:

La expansin libre

El porcentaje de levantamiento debido a la aplicacin de una carga vertical.

Presin de expansin

Mtodo B


El porcentaje de levantamiento debido a la aplicacin de una carga vertical, que usualmente es

equivalente a la presin inicial de sobrecarga in situ o a cualquier otra carga vertical.

Presin de expansin.

Mtodo C


Presin de expansin.

Presin de preconsolidacin.

Porcentaje de levantamiento.

Preparacin de las muestras

Para la realizacin de este ensayo se utilizan muestras de suelos inalteradas que deben ser compactadas y

moldeadas de la misma manera que para un ensayo de consolidacin normal.

A partir de la curva de expansin Fig. 4.19, que no es ms que la curva obtenida a partir de la realizacin

del ensayo de consolidacin invertida, pueden realizarse las siguientes definiciones:


326

Expansin primaria.- Expansin arbitraria realizada a corto plazo. La interseccin de las tangentes

sacadas a la curva de la figura 4.19, se considera el fin de la expansin primaria.

Expansin secundaria.- Expansin a largo plazo. El inicio de la expansin secundaria es el fin de la

expansin primaria.

Figura 4.19. Curva de expansin (American Society for Testing and Materials, ASTM D4546, 1999).


El procedimiento a seguir es el siguiente:

1. Colocar la muestra en el anillo de consolidacin, tratando de que no exista evaporacin del contenido

de humedad de la muestra y aplicar una carga de asiento 1 kPa.

2. Aplicar la presin de sobrecarga inicial in situ, y una vez transcurridos 5 min despus de la aplicacin,

ajustar el medidor a cero.

3. A continuacin, se sigue el mismo procedimiento realizado para un ensayo de consolidacin normal,

con las siguientes excepciones:

Para el mtodo A. Despus de haber registrado la deformacin inicial, inundar la muestra y registrar

las deformaciones a diversos intervalos de tiempo. Las lecturas se dejan de tomar una vez que se ha

completado la expansin primaria.

Despus del fin de la expansin primaria, aplicar incrementos sucesivos de carga de 5, 10, 20, 40, 80

kPa, etc. La duracin de cada incremento de carga es aquella que asegure el 100% de consolidacin

primaria.

Para el mtodo B. El ensayo comienza aplicando una presin mayor a la presin de sobrecarga inicial.

Al cabo de 5 min leer la deformacin debida a la presin.

Luego inundar la muestra y realizar las lecturas respectivas hasta la finalizacin de la expansin

primaria. Proceder a la aplicacin de incrementos de carga tal como en el mtodo A.


327

Para el mtodo C. El ensayo comienza aplicando una presin equivalente a la presin estimada in situ.

Al cabo de 5 min leer la deformacin inicial e inundar inmediatamente la muestra.

A la muestra inundada, aplicar incrementos de carga, estos incrementos de carga tendrn la magnitud

necesaria para evitar la expansin de la muestra

4. La determinacin del porcentaje de levantamiento es realizada de la siguiente manera:

(Ec. 4.18)

Donde:

ndice de vacos inicial.

ndice de vacos a una cierta presin .

Cambio en la altura de la muestra.

Altura inicial de la muestra.

Porcentaje de levantamiento.

Ejemplo 4.4

ENSAYO DE EXPANSIN CONTROLADA

(ASTM D-4546, METODO A)

Solicitante: Estado: Inalterado

Proyecto: Muestra:

Ubicacin: Clasificacin: SC-ML

Fecha: Profundidad (m): 1,20 1,80

Carga de asiento ( : 0,01

DATOS DEL ESPECIMEN

Contenido de humedad inicial, (%)

Contenido de humedad final, (%)

Grado de saturacin inicial, (%)

Grado de saturacin final, (%)

5,24

13,22

40,85

98,76

Altura, h (cm)

Dimetro, (cm)

Gravedad especifica, Gs

1,90

6,00

2,73

Tabla 4.14. Datos del ensayo de expansin controlada.

ETAPA DE EXPANSION

Tiempo

(min)

Lect. Dial

(mm)

Expansin

(mm)

Altura

(mm)

Densidad seca

(

Relac. de vacios

(e)

Expansin

(%)

0,00 5,720 0,000 19,00 2,02 0,350 0,000

0,20 5,740 0,020 19,02 2,02 0,351 0,105

0,50 5,760 0,040 19,04 2,02 0,353 0,211

0,80 5,770 0,050 19,05 2,02 0,354 0,263

1,00 5,780 0,060 19,06 2,02 0,354 0,316

2,00 5,800 0,080 19,08 2,01 0,356 0,421

4,00 5,820 0,100 19,10 2,01 0,357 0,526

8,00 5,840 0,120 19,12 2,01 0,359 0,632

15,00 5,859 0,139 19,14 2,01 0,360 0,732

30,00 5,880 0,160 19,16 2,01 0,361 0,842


328

Tabla 4.14 (continuacin). Datos del ensayo de expansin controlada.

ETAPA DE EXPANSION

Tiempo

(min)

Lect. Dial

(mm)

Expansin

(mm)

Altura

(mm)

Densidad seca

(

Relac. de vacios

(e)

Expansin

(%)

65,00 5,900 0,180 19,18 2,00 0,363 0,947

140,00 5,913 0,193 19,19 2,00 0,364 1,016

170,00 5,915 0,195 19,20 2,00 0,364 1,026

305,00 5,920 0,200 19,20 2,00 0,364 1,053

550,00 5,922 0,202 19,20 2,00 0,364 1,063

4160,00 5,931 0,211 19,21 2,00 0,365 1,111

4565,00 5,932 0,212 19,21 2,00 0,365 1,116

5595,00 5,933 0,213 19,21 2,00 0,365 1,121

6080,00 5,934 0,214 19,21 2,00 0,365 1,126

7055,00 5,935 0,215 19,22 2,00 0,365 1,132

8495,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137

9935,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137

11375,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137

12815,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137

14255,00 5,936 0,216 19,22 2,00 0,365 1,137

ETAPA DE CONSOLIDACION

Carga

( )

Lect. Final

(mm)

Asentamiento

(mm)

Alt. Prom.

(mm)

Densidad seca

(

Relac. de vacios

(e)

Def. vertical

(%)

0,05 5,936 0,000 19,216 2,00 0,365 0,000

0,10 5,934 0,002 19,214 2,00 0,365 0,010

0,20 5,900 0,036 19,180 2,00 0,363 0,187

0,40 5,838 0,098 19,118 2,01 0,358 0,510

0,80 5,772 0,164 19,052 2,02 0,354 0,853

1,60 5,704 0,232 18,984 2,02 0,349 1,207

3,20 5,704 0,232 18,984 2,02 0,349 1,207

6,40 5,704 0,232 18,984 2,02 0,349 1,207

ETAPA DE CARGA

0,10 0,20 0,40 0,80 1.60

Tiempo

(min)

Def.

(mm)

Tiempo

(min)

Def.

(mm)

Tiempo

(min)

Def.

(mm)

Tiempo

(min)

Def.

(mm)

Tiempo

(min)

Def.

(mm)

0,00 0,000 0,00 0,000 0,00 0,000 0,00 0,000 0,00 0,000

0,13 0,002 0,13 0,019 0,13 0,050 0,13 0,035 0,13 0,040

0,25 0,002 0,25 0,020 0,25 0,050 0,25 0,038 0,25 0,042

0,50 0,002 0,50 0,021 0,50 0,050 0,50 0,038 0,50 0,043

1 0,002 1 0,023 1 0,050 1 0,039 1 0,044

2 0,002 2 0,024 2 0,050 2 0,042 2 0,047

4 0,002 4 0,024 4 0,051 4 0,045 4 0,050

8 0,002 8 0,025 8 0,052 8 0,048 8 0,052

15 0,002 15 0,027 15 0,055 15 0,048 15 0,043

30 0,002 30 0,029 30 0,058 40 0,049 30 0,054

70 0,002 60 0,030 70 0,060 90 0,055 60 0,056

155 0,033 995 0,062 140 0,057 160 0,059

215 0,034 320 0,059 230 0,061

1415 0,066 640 0,065

1420 0,068


329

Figura 4.20. Curva del ensayo de colapso.

4.4.2.3 Relaciones empricas

4.4.2.3.1 A partir de correlaciones grficas

Existen varios sistemas de clasificacin para suelos expansivos, basados todos ellos en los problemas que

este tipo de suelos ocasiona en la construccin de fundaciones.

La posibilidad de expansin de los suelos puede ser establecida a partir de la figura 4.21, segn

Abduljauwad y Al- Sulaimani (1993).

Vijayvergiya y Ghazzaly (1973) analizaron varios resultados obtenidos de ensayos de expansin libre, y a

partir de estos elaboraron una correlacin grfica entre la expansin libre, el lmite lquido y el contenido de

humedad natural, Fig. 4.22.


330

Figura 4.21. Criterios comnmente usados para determinar el potencial de expansin, segn Abduljauwad y Al-

Sulaimani, 1993 (Das, 1999).

4.4.2.3.2 A partir de tablas

La tabla 4.15 presenta un resumen de distintos criterios utilizados para la clasificacin de suelos expansivos.

La tabla 4.16 presenta el sistema de clasificacin desarrollado por la U.S. Army Waterways Experiment

Station (Snethen et al, 1977) que es el ms usado en los Estados Unidos.


331

Figura 4.22 Relacin entre el porcentaje de expansin libre, lmite lquido y contenido de humedad natural (despus de

Vijayvergiya y Ghazzaly, 1973)

Tabla 4.15. Resumen de criterios para identificar el potencial de expansin (segn Abduljauwad y Al-Sulaimani, 1993).

Referencia Criterios Observaciones

Holtz (1959)

Seed y otros (1962)

Altemeyer (1955)

Dakshanamanthy

y Raman (1973)

Vase la figura 15 (a)

Vase la figura 15 (b)

Basado en CC,IP y LC

Con Base en la prueba del odmetro

usando una muestra compactada,

porcentaje de arcilla < 2m y actividad.

Con base en CL, LC y EP.

Muestra remoldeada,

empapada bajo

sobrecarga de 6.9 kPa.

Basado en la carta de plasticidad.


332

Tabla 4.15 (continuacin). Resumen de criterios para identificar el potencial de expansin (segn Abduljauwad y Al-

Sulaimani, 1993).

Referencia Criterios Observaciones

Raman (1967)

Sowers y Sowers

(1970)

Van Der Merwe

(1964)

Uniform Building

Code, 1968

Snethen (1984)

Chen (1988)

McKeen (1992)

Vijayvergiya y

Ghazzaly (1973)

Kayak y

Christensen(1974)

Weston (1980)

Vase la figura 15 (c)

Vase la figura 15 (d)

PE = (0,00229IP)(1,45C)/

Basado en IP e IC.

Poca expansin ocurrir cuando

conduce a un IL de 0,25

Con base en IP, porcentaje de arcilla

< 2m y actividad.

Con base en la prueba del odmetro

en una muestra compactada con

grado de saturacin del 50% y

sobrecarga de 6,9 KPa.

EP es representativa para condicin

de campo, se usa , pero se

reducir la exactitud.

Basado en IP.

Con base en mediciones de pequeo

contenido de agua, succin y cambio

de volumen al secarse.

Ecuaciones empricas

Ecuaciones empricas

Ecuaciones empricas

Notacin:

% de arcilla.

% de contenido coloidal.

ndice de expansin = 100 x % de expansin x

fraccin que pasa la malla No 4.

ndice de liquidez (%).

Lmite Lquido (%).

Lmite Lquido pesado, (%).

Contraccin lineal, (%).

ndice de plasticidad, (%).

Expansin probable, (%).

Sobrecarga

ndice de contraccin, (%) LCLL Potencial de expansin, (%).

Contenido de humedad natural del suelo (%).

Succin natural del suelo en tsf.

Densidad seca mxima.

Contenido de humedad ptimo (%).


333

Tabla 4.16. Sistema de clasificacin de suelos expansivos (ONeill y Poormoayed, 1980).

Lmite Lquido ndice de plasticidad Expansin potencial (%) Clasificacin de la expansin

potencial

< 50

50 60

> 60

< 25

25 35

> 35

< 0,5

0,5 1,5

> 1,5

Baja

Marginal

Alta

Expansin potencial = expansin vertical bajo una presin igual a la presin de sobrecarga.

4.4.3 Medidas de prevencin y/o solucin cuando se trabaja con suelos expansivos

Los daos en las estructuras de fundacin que ocurren como resultado de la presencia de un suelo con

elevado potencial de expansin, pueden ser evitados a travs de la aplicacin de las posibles alternativas:

Reemplazar el suelo expansivo bajo la fundacin. Esta alternativa es viable en caso de que se trate de

suelos poco profundos.

Estabilizacin del suelo expansivo, ya sea mediante compactacin controlada, prehumedecimiento

del suelo y/o estabilizacin qumica.

La compactacin cuando se trabaja con suelos expansivos puede ser una medida til para disminuir el

potencial de expansin. Por lo general, no se recomienda el uso de losas de fundacin, sobre todo en casos

donde se espera un levantamiento mayor a 38 mm.

Por otro lado, el principal objetivo del prehumedecimiento es que la mayor parte del levantamiento se de

antes de la construccin. Esto se consigue incrementando el contenido de humedad del suelo a travs de un

embalse. Posteriormente, se agrega 4-5% de cal hidratada a la capa superior de suelo, obtenindose de esta

manera una capa de suelo menos plstica y ms trabajable. La desventaja principal de este procedimiento

radica en que la infiltracin en suelos arcillosos es muy lenta.

Finalmente, la estabilizacin qumica del suelo es realizada con ayuda de cal y cemento. La cal o cemento

y agua son mezclados con la capa superior de suelo, para luego ser compactadas. Este procedimiento puede

ser realizado hasta 1,5 m de profundidad, siendo el principal objetivo el de disminuir el lmite lquido, el

ndice de plasticidad y las caractersticas de expansin del suelo.

Referencias

Coduto, Donald P. Geotechnical Engineering Principles and Practices. Prentice Hall.

Coduto, Donald P. Geotechnical Engineering Principles and Practices, Second Editin. Prentice Hall.

Holmgren, G.G.S and Flanagan, C.P. (1976). Factors Affecting Spontaneous Dispersion of Soil Materials as

Evidenced by Crumb Test. Proceedings. American Society for Testing and Materials. Publication N 623.

Holtz, W. G. and Gibbs, H. J. (1956). Engineering properties of expansive clays, Trans. Am. Soc. Civil

Engneering, 121: 63-64.

Jennings, J.E. and Knight, K. (1975) A guide to construction on or with materials exhibiting additional

settlement due to collapse of grain structure. Proceedings 6th African Conference on Soil Mechanics

and Foundation Engineering.

Salinas L.M., Rojas J.C., Salinas R.A. (2003). Suelos colapsables: Identificacin y estabilizacin qumica.


334

Sherard, J.L., Dunnigan L.P. Decker, R.S. y Steel E.F. (1976). Pinhole Test for Identifying Dispersive Soils.

Journal of Geotechnical Engineering, ASCE.

Sherard, J.L., y Decker, R.S., (1977), eds., Dispersive Clays, Related Piping, and Erosion in Geotechnical

Projects. STP 623, ASTM, Philadelphia, Pensylvania.

Sherard, J.L. y Decker, R.S. (1977). Some Engineering Problems with Dispersive Clays. Proc. Symposium on

Dispersive Clays, Related Piping, Erosion in Geotechnical Projects, ASTM SPT G23, pp. 3-12.

Vijayvergiya V. N., Ghazzaly O. I. 1973. Prediction of swelling potential for natural clays. Proc. of the 3rd Int.

Conf.on Expansive Clay Soils. 1. Jerusalem: Jerusalem Academic Press.

Documents

177509559 Suelo Especiales