Arcillas expansiva

Diploma en Mecnica de Suelos Aplicada 2009 Prof. Lenart Gonzlez1

Estudio de caso 1Introduccin Se llev a cabo un estudio de mecnica de suelos para una casa en la localidad de Chicureo. El estudio tuvo como principal objetivo determinar propiedades y parmetros del suelo de fundacin, as como recomendar un sistema de fundacin.N

Piedra Roja

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Estudio de caso 1Exploracin - Se realizaron 2 calicatas entre 2 y 3 m.Calicata C1 (3 m) Calicata C2 (2 m)

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Estudio de caso 1Exploracin Inspeccin visual - Calicata C1

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Estudio de caso 1Exploracin Inspeccin visual - Calicata C2

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Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio Las muestras alteradas e inalteradas obtenidas en terreno fueron ensayadas en laboratorio para su clasificacin y obtencin de parmetros necesarios para el anlisis. Los ensayos realizados para este estudio fueron: Granulometra. Lmite de Atterberg. Clasificacin USCS. Peso especfico. Contenido de humedad. Peso unitario. Presin de hinchamiento. Consolidacin. Ensayo Triaxial.6

Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio La tabla muestra un resumen de los resultados de los ensayos de clasificacin y parmetros bsicos obtenidos en laboratorio.

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Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio Distribucin de tamao de partculas de muestras analizadas.100 90 80 % en peso que pasa 70 60 C1-M1 50 40 30 20 10 0 0,001 C2-M2 C2-M3 C2-M7

0,01

0,1

1

10

1008

Tamao de partcula en mm

Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio Se puede apreciar que el material fino de los suelos del sector en estudio clasifica como CL y CH. La muestra correspondiente a la arcilla de color caf oscuro (C2-M2) es la que presenta mayor ndice de plasticidad, y segn mtodos indirectos presentara un alto potencial de expansin.

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Estudio de caso 1Caracterizacin del subsuelo

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Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio resistencia al corte En este estudio se llevaron a cabo dos ensayos Triaxiales CIU, de manera de determinar parmetros de resistencia del suelo de dos estratos, bajo la arcilla caf oscura. Dos probetas inalteradas obtenidas del pozo C1 a una profundidad de 1.45 metros, lo que corresponde al estrato de arcilla caf claro, se ensayaron a presiones iniciales de confinamiento de 0.5 y 2.0 Kg/cm2.Muestra Prof. de la muestra m Tipo de suelo c 2 Kg/cm

C1-M1 C2-M7

1.45 1.6

Arcilla caf claro Arcilla caf

32 32.7

0 011

Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio Consolidacin Se realiz un ensayo de consolidacin a una muestra correspondiente a la arcilla color caf, obtenida a una profundidad de 1.6 metros en la calicata C2 para determinar la presin de preconsolidacin e ndices de compresibilidad y expansibilidad.Muestra C2-M7 Tipo de suelo Arcilla caf pc 2 Kg/cm 2 Cs 0.02 Cc 0.29 eo 0.71

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Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio Consolidacin Resultado de ensayo de consolidacin

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Estudio de caso 1Ensayos de laboratorio Hinchamiento La expansibilidad de los estratos de arcilla color caf negruzco (directamente bajo la superficie) y color caf (bajo 1.5 m de profundidad aproximadamente) fue medida directamente en laboratorio mediante la medicin de la presin de hinchamiento, la cual mide la presin que se le debe aplicar a una muestra de suelo para evitar que esta se expanda una vez que es saturada.Muestra Prof. de la muestra m Tipo de suelo Saturacin inicial % Presin de hinchamiento 2 Kg/cm

C2-M2 C2-M7

0.65 1.6

Arcilla caf oscuro Arcilla caf

61 47

2.9 0.12

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Estudio de caso 1Caracterizacin del subsuelo Debido a que el estrato de arcilla expansiva no es apto para fundar, este debe ser removido y reemplazado por un material granular compactado. Se propone el siguiente modelo estratigrfico, compuesto por tres horizontes.

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Estudio de caso 1Caracterizacin del subsuelo La tabla muestra un resumen de los parmetros geotcnicos necesarios para el anlisis, correspondiente al modelo estratigrfico presentado en la tabla anterior.Horizonte Profundidadm

dT/m3

satT/m3

38 32 32.7

cKg/cm2

kKg/cm3

Cc / / 0.29

Cs / / 0.02

H-1 H-2 H-3

0.0 1.1 1.1 1.5 1.5 3.0

1.8 1.55 1.6

/ 2.0 2.0

0 0 0

/ 5 /

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Estudio de caso 1Anlisis geotcnico Una vez excavado y reemplazado el estrato de arcilla expansiva, se recomienda fundar a una profundidad de 0.6 metros. El suelo de apoyo deber corresponder al horizonte H-1 del modelo estratigrfico, el cual corresponde al relleno compactado compuesto por material granular. Se recomienda utilizar una fundacin corrida con un ancho mnimo de 40 cm. Finalmente se debe calcular: Capacidad de soporte del suelo de fundacin. Asentamientos elsticos. Asentamiento por consolidacin.

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Estudio de caso 1Recomendaciones generales Se recomienda excavar y extraer todo el material correspondiente a la arcilla expansiva caf oscura en toda la planta de la casa, incluyendo adems 0.5 metros ms all del permetro de la vivienda. El sello de excavacin deber ser recibido por un ingeniero civil especialista en geotecnia, para verificar que no corresponda a arcilla expansiva. Una vez removida la arcilla expansiva, se deber rellenar el rea con material granular estabilizado y compactado, hasta una profundidad de 0.55 metros bajo la superficie. El sello de fundacin deber estar a 0.6 metros bajo la superficie. Una vez realizadas las fundaciones, se deber utilizar el mismo material para rellenar hasta la superficie. Se entregan recomendaciones para el material de relleno y el grado 18 de compactacin.

Suelos expansivosIntroduccin Los suelos expansivos son un problema a nivel mundial, y que causan severos daos a estructuras. El problema de las arcillas expansivas se reconoce a fines de la dcada del 30. La primera conferencia sobre Arcillas Expansivas se realiz el ao 1959 en el Colorado School of Mine, EE.UU. Jones y Holtz estimaron en 1973 que los daos anuales en Estados Unidos debido a movimientos de arcilla expansiva fue de 2.3 billones de dlares. Este monto sobrepas al dao anual causado por catstrofes naturales (sismos, tornados, inundaciones, etc.)

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Suelos expansivosIntroduccin grietas debido a suelo expansivoMuro con grietas por corte

Estacionamiento de hormign

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Suelos expansivosIntroduccin Dentro de los tres tipos ms importantes de arcilla, caolinita, ilita, y montmorillonita, este ltimo es el que corresponde al que tiene mas problemas de expansibilidad. Existen muchos factores que intervienen en el comportamiento de los suelos expansivos. Los principales factores son el contenido de humedad y la cantidad y tipo de partculas de arcilla en el suelo. En general se habla del potencial de expansin, el cual aumenta a medida que la densidad seca del suelo aumenta y el contenido de humedad de terreno disminuye. El potencial de expansin tambin aumenta a medida que la presin de sobrecarga disminuye.21

Reconocimiento de suelos expansivos Existen varios mtodos para reconocer un suelo expansivo. Identificacin mineralgica Mtodos indirectos Medicin directa Los dos primero m todos son aproximados ya que establecen la probabilidad de que el suelo pueda ser expansivo, pero no son concluyentes.

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Reconocimiento de suelos expansivosIdentificacin mineralgica La composicin mineralgica de los suelos expansivos tiene gran importancia para determinar su potencial de hinchamiento. Existen cinco tcnicas que pueden ser utilizadas para identificar el mineral que constituye a la arcilla. Estas son: Difraccin de rayos X Anlisis trmico-diferencial Absorcin Anlisis qumico Microscopio electrnico

Estos mtodos deben usarse en combinacin, de manera de tener una visin mas completa sobre el tipo de mineral arcilloso, tamao de partcula, homogeneidad, etc. (Rakela, 1987).23

Reconocimiento de suelos expansivos La tcnica ms habitual para el anlisis mineralgico es la difraccin de rayos x y como complemento se utiliza en ocasiones la microscopa electrnica.

Mtodo de difraccin de rayos x El procedimiento consiste en hacer incidir sobre una muestra pulverizada de arcilla un haz de radiacin x. Los haces difractados se recogen sobre una placa fotogrfica, y en un difractograma se representa la intensidad de la onda difractada de rayos x (Rakela, 1987). Cada tipo de arcilla posee su propia estructura cristalina caracterstica, y a travs del anlisis de las intensidades en el difractograma de rayos x es posible identificar los tipos y el grado de cristalizacin, con ayuda por ejemplo de patrones ASTM.24

Reconocimiento de suelos expansivos

Representacin de la difraccin de rayos x sobre una muestra de arcilla (Rakela, 1987).25

Reconocimiento de suelos expansivosMtodos indirectos de reconocimiento Un primer acercamiento en la cuantificacin del hinchamiento de los suelos expansivos se ha realizado mediante correlaciones con propiedades ndices. En general estas correlaciones entregan resultados algo diferentes entre s por lo que deben compararse , los resultados de varios criterios (Rakela, 1987). A continuacin se muestran algunos de los mtodos mas usados: Lmites de Atterberg Lmite de contraccin Contenido de coloides bajo 0,001 mm

A continuacin se describen algunos mtodos:

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Reconocimiento de suelos expansivos Holtz propuso un criterio de identificacin de arcillas expansivas de la siguiente manera.

Seed, Woodward y Lundgren introducen el concepto de Actividad y correlacin el potencial de hinchamiento de una arcilla con la actividad y con el porcentaje menor que 0.002 mm (C).Actividad = Indice de plasticidad C - 10%27

Actividad

Muy alto

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Porcentaje menor que 0.002 mm

Reconocimiento de suelos expansivosMtodos directos Los mtodos directos para conocer el grado de expansibilidad de una arcilla son a travs de los siguientes ensayos de laboratorio: Hinchamiento libre Presin de hinchamiento Estos ensayos se realizan con el Equipo de Consolidacin, por lo tanto las muestras de arcilla a ensayarse tienen las mismas dimensiones que las utilizadas en ensayos de consolidacin. Se realizan a muestras inalteradas de arcilla. Es importante mencionar que los resultados de estos ensayos dependen de la humedad de la muestra.

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Estudio de caso 2Introduccin A continuacin se presenta un estudio de mecnica de suelos sobre una estructura. Principalmente las estructuras es de tres pisos y est compuestas de hormign, albailera y madera. Ubicada en las faldas de la cordillera, regin central de Chile. Se desarrollaron grietas en la estructura, las cuales eran mucho ms evidentes en la estructura que corresponde a la primera parte. El objetivo principal de este estudio fue analizar la influencia que tuvo el suelo de fundacin en el desarrollo de estas grietas.

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Estudio de caso 2Esquema de la estructura en planta

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Estudio de caso 2Reconocimiento del lugar Las figuras muestran las grietas ubicadas en los puntos A y B de la figura anterior.

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Estudio de caso 2Reconocimiento del lugar Grietas verticales en el sector central de la primera parte.

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Estudio de caso 2Levantamiento de daos La figura a continuacin corresponde al levantamiento de daos de la primera parte de la estructura, donde se observa que las grietas se concentraban en el primer piso de ambos extremos, siendo estas grietas con un ngulo de 45.

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Estudio de caso 2Exploracin geotcnica La exploracin geotcnica consisti en 9 calicatas de profundidades entre 3 y 10 metros.

Calicata C2, se observa el sello de fundacin a 2 metros de prof.

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Estudio de caso 2Exploracin geotcnica

Calicata C3, de 5 m de profundidad.36

Estudio de caso 2Exploracin geotcnica Calicata C3

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Estudio de caso 2Exploracin geotcnica Calicata C1

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Estudio de caso 2Resultado ensayos de laboratorio

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Estudio de caso 2Resultado ensayos de laboratorio

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Estudio de caso 2Resultado ensayos de laboratorio

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Estudio de caso 2Resultado ensayos TriaxialesTRIAXIAL CIU, p'-q.Proyecto:Proyecto Nuestra Seora De Loreto Muestra: Clicata N 2 1,90-2,152,0

2 q=( '1- '3)/2, [kg/cm ]

1,5

1,0

0,5

0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 p'=('1+'3)/2, [kg/cm2] 2,5 3,0 3,5 4,0

Estudio de caso 2Resultado ensayos de laboratorio Se realizaron ensayos de consolidacin a muestras correspondientes a los dos tipos de arcilla (caf oscura y caf anaranjado), para determinar sus presiones de preconsolidacin, ndices de compresibilidad y expansibilidad, y coeficientes de consolidacin.

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Estudio de caso 2Resultado ensayos de laboratorio La expansibilidad de los dos tipos de arcillas encontradas en el sector fue medida directamente en laboratorio mediante los ensayos de hinchamiento libre y presin de hinchamiento. Se observa claramente que la arcilla de color caf negruzco es muy expansiva.

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Estudio de caso 2Caracterizacin geomecnica Se observa que, independientemente de la estratigrafa, existe una clara tendencia del Indice de Plasticidad a aumentar y luego a disminuir con la profundidad, alcanzando los valores mximos entre 1.5 y 3.5 metros aproximadamente.

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Estudio de caso 2Caracterizacin geomecnica Finalmente, en base a la figura anterior y a las estratigrafas, se utiliz para el anlisis un modelo compuesto de cuatro horizontes, como se seala en la siguiente tabla.

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Estudio de caso 2Anlisis geotcnico Capacidad de soport y Consolidacin Con los parmetros geotcnicos de cada horizonte se procede a determinar las tensiones admisibles del suelo de fundacin, dependiendo del tipo y dimensin de la fundacin. Los valores estimados de tensiones aplicadas por la estructura son menores o iguales a 1.6 kg/cm2 .

Los asentamientos estimados por consolidacin fueron menores a 2.7 cm, lo cual se estim que no fue el causal de los daos. Adems, segn los clculos estos asentamientos ya deberan 48 haber ocurrido, y las grietas an seguan creciendo.

Estudio de caso 2Anlisis geotcnico - Hinchamiento

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Estudio de caso 2Anlisis geotcnico

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Estudio de caso 2Anlisis geotcnico

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Estudio de caso 2Conclusiones Los daos observados son producto de la arcilla expansiva. Los daos no comprometen la estabilidad global. El fenmeno no se encuentra estabilizado. Los daos pueden ser reparados.

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Estudio de caso 2Recomendaciones Impermeabilizar el suelo de fundacin Monitorear el comportamiento del suelo y de las fisuras Una vez estabilizado el fenmeno, reparar.

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Determinacin del hinchamiento Las deformaciones por expansin de una arcilla h , al incrementar su grado de saturacin se miden normalmente saturando por inmersin en agua una probeta de suelo colocada en un consolidmetro, sobre la cual se aplica un esfuerzo axial v . (Ortigosa). De esta forma se llega a curvas como las que se muestran en la figura de la siguiente pgina, cuyos resultados corresponden a muestras de arcillas agrupadas de acuerdo a la siguiente figura.

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Determinacin del hinchamiento

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Determinacin del hinchamiento El gado de saturacin final Sf para el cual se mide el hinchamiento h es de 100%, ya que la probeta es saturada por inmersin. Sin embargo para una tensin v predeterminada, la deformacin eh puede evaluarse para Sf < 100% con la siguiente relacin:

h = ( h )So ( h )Sf

Para So < Sf < 100%

( h )So ( h )Sf

= deformacin obtenida por inmersin en agua con un grado de saturacin inicial igual a So. = deformacin obtenida por inmersin en agua con un grado de saturacin inicial igual a Sf.

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Determinacin del hinchamiento En la ejecucin del ensayo de expansin es importante extender las mediciones durante un tiempo que asegure que el proceso se ha estabilizado, el cual puede alcanzar 7 das o ms.

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Determinacin del hinchamiento La siguiente tabla muestra los grados de saturacin extremos registrados en suelos de la regin central de Chile, durante los respectivos periodos de mediciones (Ortigosa).

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Determinacin del hinchamiento La siguiente figura muestra el perfil de humedad en dos tipos de suelos en Jordania, en los extremos de verano y de invierno.

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Procedimiento de clculo de hinchamiento a nivel de apoyo de una fundacin rectangular.BxL

(Ortigosa)

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Determinacin del hinchamiento Cuando se ubica una estructura sobre una arcilla se anula la evapotranspiracin del terreno ya que se elimina la vegetacin y se coloca una frontera impermeable en toda la planta de la estructura. Esta situacin se traduce en aumentos progresivos del gado de saturacin en gran parte del rea cubierta que tienden a estabilizarse en el tiempo. Sin embargo, los sectores perimetrales de rea cubierta tienden a experimentar incrementos y disminuciones del grado de saturacin segn la poca del ao (Ortigosa). Esta deformacin presenta dos patrones caractersticos. Uplift: la zona perimetral se levanta con respecto al rea central. Hogging: la zona central se levanta con respecto al rea perimetral, o el rea perimetral se contrae con respecto a la zona central.61

Determinacin del hinchamiento

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Recomendaciones generalesPara evitar problemas en radieres de viviendas livianas Extraer la capa activa expansiva y sustituirla. Estabilizar el suelo con cal. Dejar un espacio libre entre el suelo y la losa de radier. Aislar el suelo bajo los radieres de posibles cambios de humedad. Armar y rigidizar el radier, transformndolo en una losa de fundacin. Usar juntas flexibles en redes de agua potable y alcantarillado.(Petersen M., Fundaciones de casas de albailera sobre suelos expansivos)

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Recomendaciones generalesPara evitar problemas en fundaciones de viviendas livianas Traspasar la capa expansiva sujeta a cambios estacionales de humedad, evitando friccin en el fuste con aislapol de 20 mm de espesor o con un relleno de arena. Utilizar vigas de sobrecimientos armadas. Garantizar un buen drenaje de aguas lluvias. Aislar el suelo de flujos horizontales de humedad. Evitar jardines y/o rboles prximos a las fundaciones. Aislar la fundacin del suelo con membranas plsticas o veredas perimetrales.(Petersen M., Fundaciones de casas de albailera sobre suelos expansivos)

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