FIC UNASAM

UNIVERSIDAD NACIONALSANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLO

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

ALUMNO:

Amado Chvez Julio

DOCENTE: Msc. Ing. Elio Milla Vergara

CURSO: Cimentaciones

HUARAZ, AGOSTO 2014

INDICE

1. INTRODUCCIN.(2)2. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIN.(2)3. OBJETIVO(2)4. HIPTESIS...(3)5. MARCO TERICO...(3)Mecanismos(7)Efectos dainos...(13)6. METODOLOGA.. (22)Calculo de expansin.(22)Procedimiento de clculo..(27)7. CONCLUSIONES(32)8. RECOMENDACIONES...(32)

RESUMEN:

El presente trabajo, basado en estudios bibliogrficos y en la experiencia personal que los autores tienen sobre la temtica, Finalmente se expone los antecedentes, patologas causadas y actuacin realizada sobre las cimentaciones, fenmenos de expansin del suelo.

ABSTRACT:

This paper, based on literature review and personal experience that the authors are on the subject, The antecedents, diseases caused and action taken on the foundations, soil expansion phenomena discussed.

I. INTRODUCCIN:

Las diversas edificaciones a realizarse en el mundo de la construccin estn diseadas por los ingenieros civiles, los cuales tienen la responsabilidad de realizar edificaciones las ms seguras posibles para la sociedad ante eventos ssmicos de gran magnitud. Para lograr el objetivo es necesario que el proyectista cuente con una herramienta que le permita tener acceso a esta informacin, y que est presentada en forma resumida, clara y en un lenguaje accesible. Asimismo, esta herramienta debe proporcionar a los ingenieros de proyecto y constructores un documento de referencia y un lenguaje comn que facilite la comunicacin entre ellos y ayude a evitar con-fusiones y errores. Debe considerarse tambin que su contenido pueda incorporarse, ya sea por partes o en su totalidad, en las especificaciones de proyectos relaciona-dos con la temtica, con el objeto de que los trabajos se realicen con un nivel tcnico adecuado.

II. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIN

Los problemas que genera segn la morfologa del terreno, los materiales que lo constituyen y la intervencin humana, son factores queinfluyen directamente en las inundaciones; Latopografa condiciona directamente la velocidad de flujodel agua, que es deuna gran importancia puesto que pueden llegar a seraltamente destructivas.

La intervencin humana, por su parte, esposiblemente, elfactor que ms influye en las inundaciones, en especial porque agravalas consecuencias del propio fenmeno. La deforestacin, la urbanizacin de extensas reas de terreno, aumentan elcaudal en las calles y, portanto, el riesgo deinundacin aguas abajo.

Con ladisminucin dela capacidad de infiltracin del suelo, aumenta el caudal de descarga, disminuye el tiempo de concentracin de las aguas yreduce el tiempo de respuesta. Con la disminucin de la capacidad deinfiltracin del suelo, aumenta el caudal de descarga, disminuye el tiempo de concentracin de las aguas yreduce el tiempo de respuesta.

III. OBJETIVO

El objetivo del trabajo es validar una metodologa de estudio de suelos expansivos seleccionando los ensayos necesarios para identificar, clasificar y cuantificar el fenmeno de expansin.

IV. HIPTESIS

En la construccin sobre suelos expansivos se tienen las preguntas que en cualquier problema geotcnico se deben contestar, pero existen muchas adicionales, relativas al tipo de problema y a la solucin considerada.

Algunas de estas preguntas son:

Cules son los rangos de variacin de la presin de poro que pueden presentarse en el suelo y qu movimientos provocarn?

Qu efectos se pueden generar en nuestra obra por la construccin de una vecina y viceversa?

Qu acciones pueden llevarse a cabo para controlar la humedad?

Es posible controlar los movimientos del suelo?

Cmo pueden controlarse los movimientos del suelo?

Cul es el efecto de los rboles en la cimentacin y en el suelo?

Qu estudios de campo y laboratorio son necesarios, tomando en cuenta que se trata de (arcilla expansiva) un suelo no saturado?

V. MARCO TERICO

Los suelos expansivos son arcillas plsticas que por su alto contenido de minerales arcillosos, tales como montmorilonita y esmectita, experimentan grandes cambios de volumen al modificar su humedad; dichos suelos estn caracterizados por un comportamiento cclico de expansin y contraccin al incrementar y reducir su contenido de agua, respectivamente. De modo que todos los suelos cohesivos se expanden o contraen con el cambio de humedad. La diferencia entre los suelos comunes y los expansivos radica en que los cambios de volumen en estos ltimos llegan a alcanzar niveles que generan daos a las obras construidas sobre ellos. De acuerdo a la estimacin realizada por Jones y Holtz (1973), los daos reportados en casas habitacin, pisos, banquetas, reas de almacenamiento, carreteras y calles, entre otras obras, y atribuidos a suelos expansivos ascienden a ms de dos mil millones de dlares anuales, costos que exceden a los causados por inundaciones, huracanes, sismos y tornados.

Existen muchos pases en el mundo que tienen el problema de suelos expansivos, por ejemplo: Sudfrica, Mxico, Estados Unidos, Venezuela, Colombia, Costa Rica, Ecuador, Per, Argentina, Brasil, Cuba, Angola, Mozambique, Kenia, Argelia, Marruecos, Ghana, Israel, Turqua, Irn, Irak, India, Australia, entre otros.

Distribucin de los Suelos Expansivos en el Mundo. (Modificado de G.W. Donaldson, 1969)

En nuestro pas Se realizaron estudios sobre suelos expansivos en el norte y nor oriente realizada por la universidad nacional de ingeniera.

En la ciudad de Huaraz tambin encontramos suelos arcillosos que pueden sufrir el fenmeno de expansin.

Observamos que la presencia de arcilla en nuestra zona esta presente en todos los suelos, en unas ms primordial que en otras.Siendo ms primordial la presencia en las zonas de color amarillo y rojo que se muestran en el mapa.

Mecanismos

Los mecanismos que inducen grandes cambios de volumen en suelos expansivosson mltiples y complejos, los cuales pueden integrarse, a grandes rasgos, en dostipos: mecnico y fisicoqumico; ambos interactan entre s y son indispensablespara que tenga lugar el fenmeno de expansin en el suelo.

a) Mecanismos mecnicos

Los suelos expansivos siempre se encuentran en un estado de saturacin parcial, para el cual los poros del suelo estn llenos de aire y agua. La presencia del aire y el agua en los poros del suelo puede tener varias formas dependiendo del grado de saturacin en el cual se pueden considerar tres casos: de aire entrapado, doblemente abierto y de agua encerrada (figura 2.2). En el sistema de agua encerrada el grado de saturacin es menor que 30% y la fase lquida est adherida, en forma discontinua, a la fase slida, de manera que los esfuerzos en aquella fase se transmiten solamente a travs de los contactos intergranulares. En el sistema de aire entrapado, el grado de saturacin puede llegar a ser mayor que 90% y las burbujas de aire estn aisladas dentro de la fase lquida sin tener contacto con la fase slida. En estos dos casos extremos, el suelo, aunque fsicamente es de tres fases, puede considerarse de dos fases desde el punto de vista de la mecnica de suelos: el de agua encerrada es de slido-aire, y el de aire entrapado, de slido agua.Para un amplio intervalo intermedio del grado de saturacin, el suelo que resulta del sistema doblemente abierto tiene tres fases y todas ellas pueden transmitir sus esfuerzos de manera continua. La mecnica de suelos no saturados moderna, generalmente, estudia este tipo de suelo.

En los tres sistemas mencionados, el agua est sujeta a una presin de poro negativa, o bien, una presin por debajo de la presin atmosfrica o de la presin de la fase gaseosa. Esta presin de poro negativa se llama presin capilar o succin. La succin total del suelo consiste en dos partes: succin mtrica o capilar y succin osmtica. La primera se debe principalmente al fenmeno de capilaridad, mientras la segunda, al efecto de sales sueltas en el agua de poro. En la figura 2.3 se muestra la diferencia entre estos conceptos.La succin mtrica depende principalmente del tamao de partculas del suelo, por lo que entre ms fino sea el suelo, mayor succin se desarrolla. Siguiendo este razonamiento, los modelos de tubo capilar muestran una relacin entre la presin capilar y el radio de los meniscos formados en los poros del suelo. Si bien estos modelos son vlidos paras suelos granulares finos, no son suficientes para explicar la muy alta succin que se presenta en suelos cohesivos. En los que, adems de la capilaridad, existe la adsorcin formando envolventes de hidratacin sobre superficies de las partculas del suelo, como lo ilustra la figura 2.4. La presencia del agua adsorbida est influenciada por la doble capa elctrica y por los cationes intercambiables, los cuales estn relacionados a su vez con el otro mecanismo que se tiene en el suelo expansivo, el fisicoqumico. En general, el potencial de succin mtrica es resultado de la combinacin de los efectos capilares y de adsorcin, los cuales son difciles de separar, razn por la cual el potencial de succin mtrica y el potencial capilar no son sinnimos independientes, sino que este ltimo es parte del primero.

La succin en suelos no saturados se puede medir mediante varios dispositivos y pruebas. Una de las pruebas ms recomendadas es el uso del tensimetro. Para un suelo determinado la succin mtrica es funcin del grado de saturacin; la curva que expresa tal relacin se llama curva caracterstica, misma que se conoce muy bien en la agronoma. Para problemas geotcnicos, la importancia de la succin se refleja en dos aspectos: la capacidad de absorcin del agua y las caractersticas del cambio volumtrico.

La migracin del agua en suelos no saturados est controlada por la humedad: el agua se mueve desde el lugar donde se tiene un grado de saturacin mayor a otro de menor grado con o sin la fuerza de gravedad. Los suelos con un potencial de succin mayor absorbern ms cantidad de agua; los suelos finos tienen una mayor capacidad de absorcin del agua que las arenas, independientemente del tipo y cantidad de minerales que contienen. La migracin del agua en los suelos expansivos puede estudiarse usando los modelos de flujo de agua en suelos no saturados, siendo la teora de Richards uno de estos modelos.Por otro lado, al humedecer el suelo, la disminucin de la succin reduce tambin su esfuerzo efectivo, haciendo que el suelo logre una recuperacin elstica. Esta expansin elstica, junto con la contraccin por secado, puede entenderse en trminos de los modelos de compresibilidad. Durante el proceso de contraccin, los poros se hacen ms pequeos y la tensin capilar aumenta. Un suelo originalmente saturado conserva su completa saturacin durante la primera etapa de secado, en la que la contraccin es equivalente a la compresin virgen en un suelo saturado (figura 2.4); sin embargo, se llega a una relacin de vacos tal que en ella se presenta la tensin capilar mxima. Si se contina secando el suelo, en ste no se reducir ms la relacin de vacos y en consecuencia tampoco se genera tensin capilar adicional, por lo que el contenido de agua en este punto es el lmite de contraccin. El menisco de cada poro comienza a retraerse de la superficie del suelo y ste pierde su aspecto hmedo, luce seco y la masa de suelo deja de estar saturada. Cuanto ms bajo es el lmite de contraccin, mayor ser la contraccin potencial. Si el suelo vuelve a humedecerse, se presenta una recuperacin volumtrica elstica siguiendo la trayectoria de esfuerzos en la descarga definida en la mecnica de suelos (figura 2.4). Sin embargo, para los suelos expansivos, dicha expansin elstica constituye una parte muy pequea de su expansin total debido a que la mayor porcin de sta tiene esencialmente un carcter fisicoqumico y no meramente mecnico.La magnitud de la expansin y contraccin depende de la humedad inicial. Si la humedad del suelo en su estado natural es menor que la humedad correspondiente al lmite de contraccin, un secado posterior no producir una contraccin apreciable; si est ms hmedo, la contraccin mxima posible ser equivalente a la diferencia entre la humedad real y el lmite de contraccin. Durante el proceso de saturacin, se liberar una mayor succin en suelos secos, lo que trae como consecuencia una mayor recuperacin elstica; los suelos hmedos, en cambio, expanden menos.

b) Mecanismos fisicoqumicos

La succin est presente en todos suelos cohesivos no saturados, pero no todos de estos son expansivos. La succin por s sola no explica el gran cambio de volumen que se presenta en suelos expansivos, por lo que el mecanismo fisicoqumico no debe menospreciarse. Los suelos expansivos tienen la capacidad de absorber grandes cantidades de agua, las cuales generan un hinchamiento en la masa del suelo. Desde el punto de vista mineralgico, dicha capacidad de absorcin del agua y su respectivo cambio de volumen dependen del tipo y cantidad de minerales arcillosos y sus iones intercambiables, as como el contenido y la estructura interna de electrolitos en la fase lquida.Los minerales arcillosos se forman a partir de un proceso de alteracin de las rocas; la alteracin incluye desintegracin, oxidacin, hidratacin y lixiviacin. La combinacin de la roca y las condiciones de alteracin crean diferentes tipos de mineral arcilloso. Por ejemplo, la montmorilonita se produce en un ambiente de extrema desintegracin, fuerte hidratacin y una lixiviacin limitada. El ambiente de su formacin es alcalino con la presencia de magnesio; las lluvias moderadas se presentan en relacin directa a cambios estacionales, dando como resultado una evaporacin mayor que la precipitacin. El agua es suficiente para el proceso de alteracin y al mismo tiempo los cationes acumulados no pueden removerse por lluvias torrenciales, condiciones que se presentan en regiones semi-ridas y favorables para la formacin de montmorilonitas.La mayora de los cristales de arcilla consisten en lminas atmicas de slice y almina (figura 2.6). En la lmina silcica cada tomo de silicio de valencia 4 est rodeado por cuatro de oxgeno con valencia 2, cada uno de los cuales contribuye con una valencia que se eslabona al silicio central. Algunas de las restantes valencias del oxgeno se unen al silicio contiguo, pero los oxgenos de uno de los lados de la lmina no estn satisfechos. La lmina alumnica, por otro lado, consiste en unidades de un tomo de aluminio rodeado de oxgenos e hidrxidos oxgenos y grupos OH, alternativamente. Las lminas formadas al unirse los octaedros no equilibran las valencias, como en el caso del silicio, de manera que ocasionalmente una unidad octadrica no contendr aluminio, haciendo que las lminas no sean simtricas y uniformes. En la lmina lumnica sucede la llamada substitucin isomorfa en la que uno o ms aluminios de valencia 4 son substituidos por magnesios con valencia 2, creando un desbalance, el cual agrava el ya existente desequilibrio local causado por la ausencia de aluminio en el octaedro.La mayora de los minerales arcillosos estn formados por lminas silcicas y alumnicas empaquetadas entre s para formar placas (figura 2.7). Las lminas silcicas comparten con las lminas alumnicas los oxgenos no satisfechos, a fin de formar un conjunto ms o menos equilibrado. El desequilibrio causado por la substitucin isomorfa hace que las cargas en las caras de los minerales arcillosos sean generalmente negativas, mismas que pueden satisfacer a los cationes disueltos en el agua. En consecuencia, la superficie con carga negativa y los enjambres de cationes constituyen la doble capa difusa (figura 2.8). En esta capa difusa, la molcula de agua, caracterizada por su polar o dipolo, se adhiere fuertemente a la superficie de arcilla. Los cationes de la humedad del suelo tambin son atrados por la superficie arcillosa para equilibrar la carga negativa. Estos cationes no estn completamente integrados a los minerales arcillosos y pueden, por lo tanto, ser reemplazados por otros cationes siempre que el equilibrio total de valencias sea mantenido. Los cationes de valencia inferior pueden ser sustituidos por los de valencia superior (figura 2.9). La capacidad de intercambio catinico vara enormemente de un mineral a otro (tabla 2.2), misma que determina la capacidad de absorcin y de cambio volumtrico de los suelos de acuerdo a los minerales que contengan.Cuando se dispone el agua, sta diluye la concentracin de iones presentes entre las partculas arcillosas e incrementa la de cationes, dando como resultado un aumento de la distancia entre las mismas; la expansin de la capa difusa produce una presin

Como se puede observar, tanto las condiciones de saturacin parcial como el contenido de minerales coloidales son indispensables para que suceda el fenmeno de suelo expansivo. Un suelo no saturado sin montomorilonita, tal como la mayora de los suelos cohesivos, no tiene problemas de expansin; igualmente, una arcilla saturada, aun con alto contenido de montomorilonita, no tiene problemas similares a los que tienen los suelos expansivos.

EFECTOS DAINOS

Los suelos expansivos generan daos a estructuras causados por el movimiento del suelo a consecuencia del cambio de humedad; cuando el suelo est confinado lateralmente el potencial de expansin se traduce en un empuje lateral. Se distinguen cinco tipos de efectos dainos.

a) Movimiento cntricoOcurre en la parte central de una estructura en una forma de domo con su valormximo en el centro. El movimiento no es brusco y se desarrolla durante varios aos,mismo que est asociado con una reduccin en la evapotranspiracin. Laconstruccin de la estructura rompe el equilibrio en las condiciones de evaporacin yelimina la presencia de vegetacin, de manera que la humedad se acumula en elsubsuelo. La figura 2.10 muestra el patrn de daos que comnmente se observanen estructuras ligeras construidas con base en muros de tabique. Las grietas sepresentan en forma vertical, horizontal y diagonal, siendo sta ltima desde la partecentral inferior de la estructura hacia sus esquinas superiores. El ancho de lasgrietas es mayor en la parte superior cercana al techo; ste restringe la propagacinde grietas verticales generando grietas horizontales adicionales a lo largo delcontorno del techo. Los daos son severos y progresivos en regiones cuyo clima essemirido, caluroso y seco, y que el nivel fretico se encuentra profundo.

b) Movimiento perimetralForma un patrn de disco en la periferia de la estructura. El retiro de vegetacinpreexistente y encharcamiento en la inmediacin de sitios de construccin causan unaumento de humedad en el subsuelo; los efectos dainos se observan con prontituddespus de la construccin. El levantamiento de las esquinas de la estructura generagrietas horizontales, verticales y diagonales, siendo estas ltimas desde las esquinasinferiores hacia la parte central superior (figura 2.11). El ancho de la grieta es mayoren la parte inferior de la estructura.

c) Movimiento cclicoEl movimiento est asociado con el cambio cclico de expansin y contraccin en queel drenaje, la precipitacin y la evapotranspiracin generan prdida o incremento dehumedad en el subsuelo. El movimiento est controlado por fugas de agua locales,cambio climtico estacional o efectos de desecacin de las vegetaciones cercanas ala estructura. Los daos son ms severos cuando el suelo posee una buenapermeabilidad en el que intensas lluvias generan levantamientos perimetrales. Elpatrn de daos en los muros de tabique no son bien definidos, presentndosegeneralmente grietas diagonales cruzadas (figura 2.12).

En la tabla 2.3 se presenta una clasificacin de daos estructurales de acuerdo conel ancho de las grietas y la correspondiente expansin del terreno.

c) Empuje lateral

La expansin del suelo es un fenmeno de cambio de volumen, por lo que generamovimientos del terreno en todas las direcciones. Los movimientos horizontales delterreno se notan de dos maneras: el movimiento o inestabilizacin de un talud oempujes laterales sobre un muro de contencin. Dependiendo del potencial deexpansin, los empujes laterales generados por el aumento de humedad puedenalcanzar grandes magnitudes.

d) Agrietamiento de suelo

Como la tensin capilar se ejerce en todas direcciones, la contraccin se producevertical y horizontalmente. La contraccin horizontal del suelo genera esfuerzos detensin en la misma direccin; si este esfuerzo rebasa la resistencia a la tensin delsuelo que es de baja a nula, se forman grietas de secado, las cuales son todavams peligrosas que un simple cambio de volumen. Estas grietas reducenconfinamiento lateral a las estructuras, propician la acumulacin de agua ydisminuyen el factor de seguridad contra la estabilidad de un talud.

FUENTES DE SATURACINLas fuentes de saturacin que modifican las condiciones de humedad del terreno sontan variadas y complejas que se pueden clasificar en tres tipos: condiciones deentorno, construccin y otras causas.

a) Condiciones del entorno

Las variaciones considerables en el clima, tales como prolongada sequa e intensaslluvias, generan cambios cclicos de humedad que originan movimientos perimetralesen estructuras. El cambio en la profundidad del nivel fretico tambin modifica elcontenido de agua original del terreno. En algunos suelos, las reacciones qumicasproducen cambio en la humedad.

b) Construccin

Las actividades de construccin pueden aumentar la humedad del suelo. Las reascubiertas reducen la evaporacin natural y transpiracin de la vegetacin; el aumentode humedad es notable en sitios donde se han talado rboles que tienen un extensosistema de races. EL incremento de la humedad tambin se debe a un drenajesuperficial inadecuado, encharcamiento, cunetas pluviales y bajadas pluviales, ascomo a la filtracin hacia subsuelos de cimentacin en la interfaz suelo-cimentacin ya travs de excavaciones para stanos o losas de cimentacin.Durante la excavacin, los suelos de cimentacin tienden a secarse y pierden supresin confinante; ambos efectos incrementan el potencial de expansin. Losacuferos que han sido perforados durante la construccin tambin incrementan lahumedad del suelo.

c) Otras causas

Otras causas que modifican la humedad del suelo son: riego de cspedes,crecimiento de vegetacin masiva cercana de la estructura, secado de suelo cercanoa un rea de calefaccin, as como la fuga de agua subterrnea o lneas de desage.Ante una misma fuente de saturacin, los mismos suelos no responden de igualmanera, ya que su expansin depende adicionalmente de su contenido de aguanatural o inicial. Los suelos secos tienen un potencial de expansin mayor que loshmedos. Una forma de clasificar la humedad del suelo en cuanto a su potencial deexpansin es comparar el contenido de agua natural w, el lmite de plasticidad LP ylas condiciones del suelo: el suelo es seco si w < LP y el suelo es hmedo si w > 1.2(LP).

IDENTIFICACION DEL SUELO EXPANSIVO

Tipo de suelo: Un suelo expansivo posee un contenido significativo de arcilla,probablemente situado dentro de los smbolos CL o CH del Sistema Unificado deClasificacin de los Suelos, aunque tambin algunos suelos ML, MH y SC pueden ser expansivos.Identificacin visual: Los suelos expansivos secos usualmente son muy duros, contendencias a presentar una apariencia vidriosa al ser cortados con una esptula, y apresentar fisuras, fracturas, y grietas superficiales en forma de patrones regulares (sealesde expansiones y contracciones previas), o bien una textura en forma de roseta de maz.Por el contrario, cuando se humedecen se vuelven suaves y pegajosos, dejando unresiduo polvoroso despus de ser remoldeados en la mano. Por tanto, si se examinan lasperforaciones hechas en arcillas expansivas despus de algunas horas de haber sidorealizadas, exhibirn un patrn errtico de grietas de desecacin

Algunos indicadores de la presencia de los suelos expansivos son:

a) Grietas de secado. Las grietas aparecen en la superficie de terreno durante periodos de sequa, con un arreglo geomtrico del tipo poligonal, frecuentemente de gran dimensin. La resistencia del suelo seco es alta.b) Plasticidad. Es relativamente fcil hacer un rollo sin triturarlo.c) Espejos de friccin. Las superficies de suelos recientemente expuestas al aire muestran abundantes fisuras y espejos de friccin.d) Textura. Los suelos son resbalosos y tendientes a pegarse a zapatos o llantas de vehculos cuando estn hmedos.

e) Daos estructurales. La observacin de grietas y distorsiones en las estructuras vecinas indican el potencial de expansin (ver la tabla 2.3).

Caractersticas del terreno: La evidencia de flujo o creep en laderas, la existencia degrietas de contraccin a espaciamientos regulares en el terreno, y la presencia deestructuras Gilgai, son caractersticas comunes en los terrenos que presentan suelosexpansivos. Las estructuras Gilgai son montculos y depresiones visibles en la superficiede un suelo expansivo que ha estado sujeto a intemperismo en ambientes semiridos.

Mtodos mineralgicos

La composicin mineralgica tiene una influencia fundamental sobre el potencialexpansivo de suelos. Las cargas elctricas negativas existentes en la superficie deminerales arcillosos, la resistencia de ligas entre capas y la capacidad de intercambiocatinico contribuyen al potencial expansivo. Es posible identificar la expansividad delas arcillas al conocer su constitucin mineralgica. Se dispone de varias tcnicas,tales como difraccin rayo X, anlisis trmico diferencial, anlisis qumico ymicroscopio electrnico.El procedimiento de difraccin rayo X es el ms utilizado. Consiste en determinar lasproporciones de diferentes minerales arcillosos comparando las intensidades delneas de difraccin con aquellas definidas en substancias estndares. El anlisistrmico diferencial, usado junto con el de difraccin X y el qumico, es capaz deidentificar otros materiales difciles de determinar. El anlisis qumico es un valiososuplemento de otros mtodos. Para grupos de minerales de montmotilonita, esteanlisis determina las caractersticas de la substitucin isomorfa y muestra el origeny localizacin de las cargas que se tienen en las superficies arcillosas. Con elmicroscopio electrnico se tiene una manera directa para observar el material, tilpara definir la composicin mineralgica, textura y estructura interna. Dos materialescon el mismo patrn de difraccin rayo X y curvas trmicas diferenciales puedenmostrar diferentes caractersticas morfolgicas desde el punto de vista delmicroscopio electrnico.Para una identificacin confiable se deben usar varios mtodos al mismo tiempo. Enla identificacin mineralgica, particularmente la interpretacin de resultados parauso ingenieril, requieren de conocimientos y experiencias que no tiene generalmenteun geotecnista, por lo que se debe acudir a expertos en el tema.

Mtodos indirectos

Se han desarrollado varios mtodos de acuerdo con sus propiedades ndice paraclasificar suelos expansivos.

a) Propiedades ndiceHoltz y Gibbs (1956) utilizaron el lmite de contraccin y el ndice de plasticidad paracatalogar tres niveles en el cambio de volumen (tabla 2.4).

El lmite lquido tambin ha sido utilizado junto con el ndice de plasticidad paradefinir tres niveles en el potencial de expansin (tabla 2.5)

e) Mtodo de la actividad

El mtodo de la actividad fue propuesto por Seed, Woodward y Lundgren (1962). Laactividad se define como el cociente entre el ndice de plasticidad y el porcentaje departculas menores de 2 micras:

Los autores ensayaron suelos remoldeados para los cuales la expansin se midicomo el porcentaje de expansin bajo saturacin. Las muestras deben estarcompactadas para una densidad relativa de 100% y el contenido de agua ptimo enlas pruebas estndares de AASHO usando una carga de 1 psi (= 0.07 kg/cm2). Unavez conocida la actividad y el porcentaje de partculas arcillosas, se puede identificarel potencial de expansin mediante la carta mostrada en la figura 2.16.

Mtodos directosLa expansin se puede estimar por un ensayo parecido al de consolidacin, en elcual se pueden obtener tres tipos de parmetros de suelo en cuanto a suexpansividad: expansin libre, expansin bajo presin confinante y volumenconstante.

a) Expansin libreEsta prueba se lleva a cabo saturando la muestra antes de aplicar la carga. Se aplicauna pequea presin inicial equivalente a 0.01 kg/cm2 por el peso de piedras porosasy la placa de carga; la muestra se satura con agua y se permite la expansin vertical.La expansin libre es el porcentaje de deformacin despus de que se establece laexpansin primaria. Posteriormente, la muestra se somete a varios incrementos decarga hasta que se recupere su relacin de vacos que se tena antes de lasaturacin. La presin total aplicada se define como presin de expansin (figura2.17). La prueba deber continuar con cargas adicionales y subsecuentes descargascomo lo establece una prueba de consolidacin convencional.

b) Expansin bajo presin confinanteEsta prueba se lleva a cabo aplicando la carga antes de saturar la muestra. Se midela deformacin de la muestra saturada (figura 2.18). Esta deformacin puede resultaruna expansin o una contraccin, dependiendo de la magnitud de la presinaplicada. Generalmente la presin inicial es equivalente a la de confinamiento encampo, pero puede ser otro valor prefijado segn los procedimientos de pruebaestablecidos. Deber reportarse la expansin medida junto con la presin aplicada.

c) Volumen constanteDespus de haber aplicado una presin inicial, comnmente equivalente a la deconfinamiento en campo, se registra la altura de la muestra, la cual se toma comoreferencia. Se satura la muestra que tiende a expandirse o contraerse; se incrementao se reduce la presin para lograr que la altura de la muestra sea la misma que laque se tom como referencia. La presin final resultante es la de expansin (figura2.19). La prueba deber continuar con cargas adicionales y subsecuentes descargascomo lo establece una prueba de consolidacin convencional.

Presentar las bases tericas que sustentan la investigacin realizada.

VI. METODOLOGA

CLCULO DE EXPANSIN Concepto bsico:Aunque es fcil visualizar el fenmeno de expansin en un suelo, su cuantificacinno es tan directa. Existen numerosos factores que intervienen en el problema:condiciones iniciales del suelo incluyendo su densidad, humedad y estado deesfuerzo, el cambio de humedad y las condiciones de esfuerzos finales. En general,la expansin se estima con base en los resultados de las pruebas de laboratorio,mismos que deben interpretarse adecuadamente para poder tomar en cuenta losefectos producidos por el muestreo. El procedimiento de clculo que se expone aquest basado principalmente en el modelo desarrollado por Fredlund y suscolaboradores.

Para un suelo saturado, sus caractersticas de compresibilidad suelen expresarse enun dibujo bidimensional relacionando el esfuerzo efectivo y la relacin de vacos(figura 2.5). En los suelos no saturados, las mismas caractersticas debenrepresentarse en una grfica tridimensional relacionando tres conceptos: relacin devacos, succin mtrica y esfuerzo normal neto, siendo este ltimo el esfuerzo totalmenos la presin del aire (figura 2.20). El estado de esfuerzo inicial de una muestrade suelo se encuentra en un punto dentro de una serie de ciclos de secado ysaturacin debido a los efectos de evaporacin, evapotranspiracin e infiltracin; enel momento del muestreo, dicho estado de esfuerzo inicial est definido por losvalores especficos del esfuerzo de confinamiento de campo y la succin inicial. A finde poder visualizar mejor el efecto de la succin mtrica inicial sobre el cambio devolumen es preferible proyectarla en el plano de esfuerzo normal neto por medio deuna succin mtrica equivalente (figura 2.21). La magnitud de la succin mtricaequivalente puede ser igual o menor que la de la succin mtrica inicial. La suma delesfuerzo de confinamiento inicial y la succin mtrica equivalente es, segn estosautores, la presin de expansin corregida que es mucho mayor que la presin deexpansin que se mide directamente en las pruebas de volumen constante oexpansin libre (ver la seccin 2.3.4, Mtodos Directos). La presin de expansincorregida se determina usando el procedimiento que sugiri Casagrande paradeterminar la presin de preconsolidacin.La novedad de este modelo proviene esencialmente del concepto de la presin deexpansin corregida (figura 2.19). Debido a los efectos del remoldeo durante elmuestreo y las variaciones de trayectoria de esfuerzo y succin, la presin deexpansin determinada de manera convencional no refleja el estado actual delpotencial de expansin del suelo; la expansin puede subestimarse mientras lapresin de expansin no es corregida.

Zona activa:La zona activa se refiere a la parte del estrato de suelo en donde ocurre el cambio devolumen en un periodo anual (figura 2.23). El cambio de volumen se debe al cambioen las condiciones climticas y en las condiciones de contorno despus de haberefectuado la construccin. La profundidad de la zona activa Za es la mayorprofundidad que puede alcanzar la zona activa; las distribuciones originales dehumedad y las de equilibrio son diferentes en la zona activa, pero coinciden debajode dicha profundidad. Para fines de la estimacin de la expansin del suelo deberndeterminarse la profundidad de la zona activa y la distribucin de succin mtricafinal o de equilibrio en dicha zona.

a) Profundidad de la zona activaEsta profundidad se determina de acuerdo a los criterios presentados en la tabla 2.7.Deber estimarse la profundidad utilizando todos los criterios y seleccionar el valormximo, mismo que ser usado en el procedimiento de clculo.

b) Succin finalEn el clculo de expansin, se requiere conocer la succin mtrica final en cadapunto del estrato del suelo, misma que corresponde a la condicin en que se alcanzaun equilibrio en el movimiento del agua. Se consideran tres criterios para determinardicha succin.

Procedimiento De ClculoEl clculo consiste en los siguientes seis pasos:

1. Definir la estratigrafa del suelo, la distribucin inicial del esfuerzo vertical, lacual incluye el peso propio del suelo y algunas cargas preexistentes, y el perfilde humedad natural que debe definirse en funcin del contenido de agua ygrado de saturacin.

2. Calcular el incremento en el esfuerzo vertical inducido por la construccin dela cimentacin en cuestin o la aplicacin de otras sobrecargas. El incrementoen el esfuerzo vertical deber estimarse con suficiente exactitud, porque deste depende en gran medida la expansin o compresin del suelo.

3. Definir la zona activa en la que el cambio de humedad induce el cambiovolumtrico de suelo.

4. Definir la distribucin de la succin final dentro de la zona activa.

5. Subdividir todo el estrato de la zona activa en varios subestratos. A partir delos clculos en los pasos 1 a 4 se puede determinar en cada subestrato elnivel promedio de esfuerzo final Pf de acuerdo a:

y = esfuerzo total inicial en la direccin vertical, estimado en el paso 1y = cambio en el esfuerzo total vertical estimado en el paso 2uwf = succin final estimada en el inciso 4

6. Realizar las pruebas de consolidacin del tipo de volumen constante. No esnecesario efectuar una prueba por cada subestrato, pero es importante que laspruebas sean representativas de las condiciones de carga y saturacin decada subestrato. En estas pruebas se determinan tres parmetros del suelo:

e0 = relacin de vacos inicial Ps = presin de expansin corregidaCr = ndice de expansin

Consolidometro mecnico.

7. Estimar para cada subestrato el porcentaje de la expansin o deformacinvolumtrica por expansin e de acuerdo a la expresin:

El signo negativo de e indica una expansin; de lo contrario ocurrir una compresin.

8. Calcular finalmente la expansin e por la siguiente sumatoria:

donde (e)i = expansin del estrato i, (h)i = espesor del subestrato i y la sumatoria seefecta en todos los subestratos. Es posible que en algunos subestratos ocurre laexpansin y en otros la compresin. Los signos de e debern conservarse parareflejar los efectos combinados sobre el valor final de e.

El procedimiento de clculo arriba expuesto es vlido solamente para problemas enque predominan efectos unidimensionales de flujo de agua y deformacin. Cuandolos entornos topogrficos y las condiciones de saturacin y carga modificansustancialmente una de estas dos condiciones, debern realizarse estudios bi otridimensionales usando modelos constitutivos para suelos no saturados,combinados generalmente con un anlisis de elementos finitos.

Cimentaciones superficiales

Las cimentaciones superficiales que se utilizan sobre los suelos expansivos incluyenzapatas aisladas, zapatas corridas y losas. Prez y Olmos (1998) han presentandoun buen resumen sobre el estado del arte en el diseo de cimentaciones sobresuelos expansivos, el cual es la base del contenido de sta y la siguiente subseccin.

a) Zapatas aisladas

Los suelos sobre los cuales estn cimentadas las zapatas deben cumplir con lassiguientes caractersticas: Espesor no grande. Potencial de expansin moderado, menor de 1%. Presiones de expansin bajas. Se dispone de un estrato de suelo no expansivo en el cual se alojan laszapatas.Tambin se debern aplicar tcnicas especiales a fin de incrementar el esfuerzo decontacto y minimizar la expansin del suelo, algunas de las cuales son: Disminuir el ancho de la base de la zapata. Colocar el muro de cimentacin directamente sobre el terreno sin zapata. Proveer espacios vacos entre las vigas de soporte y el muro para concentrarlas cargas en puntos aislados, en los cuales tambin deber cuidarse que nose exceda la capacidad de carga. Incrementar el refuerzo en el permetro y en los pisos para incrementar larigidez de la cimentacin.

b) Zapatas corridas

El empleo de las zapatas corridas deber limitarse a suelos con potencial deexpansin menor de 1% y una presin de expansin menor a 13 kg/cm2. Las zapatasdebern ser suficientemente angostas para proporcionar una presin de contactoadecuada.

c) Losas de cimentacinLas losas de concreto reforzadas y rigidizadas con contratrabes en dos direcciones(corta y larga), han sido usadas exitosamente en estructuras relativamente pesadasque estn cimentadas sobre depsitos de gran espesor donde los pilotes constituyenuna solucin poco econmica.El diseo est basado en el modelo de interaccin suelo-estructura mostrado en lafigura 2.25. La superficie del terreno libre experimenta un levantamiento cuyomximo valor se presenta en el centro de la losa. Si una losa de gran rigidez escolocada sobre la superficie en expansin, aqulla tiende a uniformizar ellevantamiento que se tiene en la porcin central de la losa y cuyo valor es menor queel mximo de expansin libre al mismo tiempo de que la periferia de la losa no tienecontacto con el suelo. Por otra parte, si se tiene una losa con rigidez limitada, stase encuentra en una situacin intermedia tal que el levantamiento se reduce y seuniformiza disponiendo el contacto en toda el rea de la losa. La configuracindeformada del suelo y los elementos mecnicos de la losa, que posteriormente seusarn para su dimensionamiento estructural, se determinarn en un anlisis deinteraccin suelo-estructura en el que las deformaciones de la losa y el suelo soncompatibles, pudiendo representarse por el modelo de resorte de Winkler.

Cimentaciones profundasLas cimentaciones profundas pueden ser pilotes o pilas, flotantes o de punta; todosellos tienen la funcin de transferir las cargas de la superestructura a un estrato desuelo resistente, poco deformable y no expansivo. Para las cimentaciones sobresuelos expansivos, las pilas coladas in situ son ms econmicas que los piloteshincados. Comparadas con las losas de cimentacin, las pilas son ms competitivassi su longitud est en el intervalo comprendido entre 6 y 8 m, y si el rea deconstruccin es amplia y la longitud de fuste est entre 3 y 4 m, las pilas son msventajosas que las zapatas corridas. Las pilas tambin son una solucin preferida sies difcil encontrar un estrato firme mediante excavacin o la excavacin afecta a lasestructuras aledaas, o si el levantamiento diferencial de la losa es mayor de 10 cmo la deflexin resultante excede a 1/250.Las pilas debern cimentarse sobre un estrato no expansivo o, en su defecto, lalongitud de la pila deber ser mayor que la profundidad de la zona activa. El diseode las pilas construidas en suelos expansivos deber tomar en cuenta tres aspectos:tensin en la pila, capacidad de carga y deformacin; el primer criterio es exclusivopara el diseo de pilas sobre suelos expansivos y merece una mayor atencin. Lafuerza de tensin T que se genera en la seccin transversal de la pila est dada por:

donde Qw = carga estructural sobre el cabezal de la pila y Qu es la fuerza delevantamiento. La fuerza de tensin dividida por el rea transversal deber ser menorque la resistencia a la tensin de la seccin de la pila. La fuerza de levantamientodeber calcularse integrando la resistencia al corte del fuste de la pila en el estratode suelo expansivo:

la longitud medida desde el eje neutro hasta la superficie del terreno.Cuando el terreno es adecuado para su construccin, las pilas encampanadasofrecen una buena alternativa para mejorar el comportamiento general de lacimentacin. El dimetro de la parte encampanada es usualmente de dos a dosveces y media, pero no mayor de tres veces el dimetro de la pila.Las pilas debern estar ligadas en su cabezal por trabes de piso, los cuales nodeben tener contacto con el terreno; se debe tener un espacio vaco de 10 a 35 cm oel doble de la expansin del suelo estimada entre los trabes y la superficie delterreno. El piso deber colgarse de los trabes 20 cm arriba del terreno o apoyarsedirectamente sobre ste si se dispone del aislamiento entre el piso y los muros.

Fatiga de ExpansinUna arcilla se somete a ciclos de expansin y contraccin, es decir; que se le adiciona agua para que se expanda y despus se deja secar hasta su contenido de agua inicial, para saturarse nuevamente, repitindose para un cierto nmero de ciclos, se ha observado que presenta signos de fatiga despus de cada ciclo. Esto se puede presentar por los cambios estacionales debido a aumentos y disminucin de humedad, lo cual, hace que la arcilla tienda a estabilizarse despus de algunos aos.Experimentos en el laboratorio (Prez y Castan, 1999) han demostrado este tipo de comportamiento en suelos expansivos de Quertaro. Estos suelos se sometieron a ciclos de humedecimiento-secado en el consolidmetro bajo carga del sitio. La hiptesis principal es que las variaciones en los cambios de esfuerzo y de deformaciones van siendo menores a medida que el nmero de ciclos de humedecimiento-secado se incrementan, llegando a un equilibrio en un determinado tiempo.

VII. CONCLUSIONES

Para que un suelo sea expansivo debe contener un mineral arcilloso que manifieste cambios de volumen al ser sometido a cambios en su contenido de humedad, y este debe estar en condiciones de secado durante por lo menos parte de los ciclos estacinales. Por tanto, la profundidad mxima de fluctuacin en el contenido de humedad del suelo (profundidad de la zona activa) define su zona potencial de expansin, para lo cual el grave problema que se tiene en los anlisis de expansin es el de la dificultad para determinar el valor de esa profundidad para un sitio dado, debido a la gran cantidad de variables que intervienen en ella. Se sabe que al construir una estructura sobre un suelo expansivo se eliminan sus fuerzas de evaporacin, lo que provoca la expansin del suelo. Adems, se sabe que las estructuras tienden a sufrir daos ms severos por expansiones diferenciales y no generales del suelo, lo que condiciona que estas sean las que gobiernen el diseo de las cimentaciones (las mayores expansiones diferenciales se presentan cuando se deben a factores relacionados al uso y ocupacin de las estructuras, o a factores extraos).

VIII. RECOMENDACIONES

Programas de exploracin

Cuando se identifica o sospecha la existencia de los suelos expansivos, la campaade exploracin deber planearse con una amplitud y profundidad mayor que ensuelos no expansivos, considerando la heterogeniedad de este tipo de suelo. Sedeben tomar en cuenta los siguientes aspectos: El nmero de sondeos deber ser mayor de tres y deben localizarsepreferentemente en las esquinas de la estructura. La profundidad de los sondeos deber ser mayor que la de la zona activa, loscuales debern ser continuos en esta zona. Debido a que el potencial de expansin del suelo depende de su humedadnatural y sta es cambiante durante un ao, las muestras que sern utilizadaspara la determinacin del potencial de expansin debern obtenerse al final deverano o comienzo de otoo, tiempo en que se espera un mximo potencial deexpansin. Se debe conservar el contenido de agua natural de las muestras de suelo altiempo de minimizar los efectos de remoldeo. El empacado de las muestrasdebe ser inmediato, evitando la exposicin al aire de las mismas. Las mediciones de succin en el campo todava no arrojan resultadosconfiables para el clculo de expansin; ser preferible realizar dicha medicinen laboratorio con muestras representativas.

Control de humedad

Se deben disear detalles constructivos para minimizar la influencia del cambio delas condiciones de humedad sobre el terreno de cimentacin teniendo en cuentaparticularmente los siguientes aspectos: Utilizar un sistema de riego por goteo para la vegetacin, minimizando lacantidad de agua usada y manteniendo prcticamente constante la humedaddel suelo. La bajada de agua pluvial y las canaletas de los techos no debern acumularel agua cerca de la cimentacin. Si es posible, se deber dirigir el agua deltecho a travs de tuberas que descarguen a la calle o a otros lugaresapropiados, manteniendo el agua lejos de la cimentacin. Construir, al menos, una banqueta de 3 m fuera de la cimentacin ocompactar el suelo aledao de ella para que forme una superficie dura y menospermeable. El suelo o concreto fuera de la cimentacin deber tener una pendienteevitando escurrimientos hacia la construccin y que ayude a prevenir lafiltracin del agua hacia el suelo.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS:

Fredlund, D. G. y Rahardjo, H. (1993). Soil Mecanics for Unsaturated Soils. JohnWiley & sons, Inc. New York.

Prez-Rea M. L. y Olmos-Romero, E. (1998) Las cimentaciones sobre suelosexpansivos en la ingeniera prctica en Mxico. XIX Reunin Nacional de Mecnicade Suelos. 28-33.

USACE (1983). Foundations in Expansive Soils. Technical Manual, TM 5-818-7.U.S.Army Corps of Engineers.

USACE (1990). Settlement Analysis. Engineer Manual, EM 1110-1-1902. U.S.ArmyCorps of Engineers.

ANEXOSImagen I.1. Daos debido a las arcillas expansivas. frica y Australia respectivamente. (Abajo)

Daos debido a las arcillas expansivas. De Izquierda a derecha: Espaa, viviendas de EU, San Angelo Texas. Se puede apreciar daos en las losas y muros.

Daos debido a las arcillas expansivas. Morelos, Mxico. Daos tales como levantamientos de losas y grietas en estructuras.

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