Definicin de fenmeno de expansin de suelos

Introduccin

Determinados suelos (expansivos) sufren fenmenos de hinchamiento de

magnitud considerable al aumentar su humedad, manteniendo constante el

estado tensional exterior. En general, el hinchamiento est asociado a terrenos

arcillosos plsticos, con densidades secas altas y presiones exteriores bajas,

contrariamente a lo habitual en procesos de colapso.

Los suelos no saturados, que contienen minerales arcillosos como la illita, la

caolinita y la montmorillonita, tienen tendencia a hinchar cuando se ponen en

contacto con el agua. Lambe y Whitman (1959) se han referido

exhaustivamente a estos minerales y consideran que el potencial de

hinchamiento de los minerales arcillosos expansivos depende de los siguientes

factores: estructura de los cristales; estructura del grupo de cristales y la

capacidad de intercambio catinico, porcentaje de arcilla en el suelo, actividad e

ndice de Atterberg de las arcillas.

Mecanismo de expansin

El hinchamiento que se produce en suelos parcialmente saturados, obedece a

dos tipos de fenmenos (mecnicos y fsicosqumicos). El fenmeno

mecnico se debe a una disminucin de la succin al aumentar la

humedad, reduciendo la intensidad de las fuerzas de contacto entre las

partculas. Si la estructura es potencialmente inestable se producir

un colapso, pero si la estructura es suficientemente compacta

se ocasionar una relajacin de los esfuerzos intergranulares (expansin).

Los mecanismos que producen la expansin estn directamente

relacionados con las propiedades y caractersticas de las partculas

arcillosas. Delgado (1986) resume en tres los mecanismos micro estructurales

fundamentales que producen la expansin:

Hidratacin de las partculas de arcilla: las partculas de

arcilla, con cargas negativas, se rodean de molculas de agua que a

su vez atraen a otras molculas de agua, al quedar desbalanceada su

carga elctrica. El equilibrio elctrico puede ser satisfecho

tambin por cationes, formndose as cadenas de partculas-agua-

catin-agua- partcula. En resumen, la partcula de arcilla se hidrata y

aumenta de volumen.

Hidratacin de cationes: Los cationes adsorbidos en la capa doble

difusa se rodean de molculas de agua produciendo el consiguiente

aumento de volumen.

Repulsin osmtica: la concentracin de cationes en la capa doble

difusa decrece al alejarse de la partcula arcillosa, lo cual puede

provocar una migracin de las molculas de agua hacia el interior por

smosis, si se pone en contacto con agua pura o con agua con una

concentracin ms baja de cationes. El resultado es un aumento de

volumen.

Tipo y origen de los suelos expansivos

La expansin de los suelos estar, en consecuencia, directamente relacionada

con las propiedades microestructurales de las partculas arcillosas. Tendr

especial influencia la existencia en ellas de cargas electroestticas netas, as

como la magnitud de su superficie especfica (forma aplanada, tamao, etc.) o

su capacidad de cambio catinico, siendo estos tres factores directamente

proporcionales al potencial de expansin que se pueda presentar.

De acuerdo con las caractersticas de cada tipo de partculas arcillosas es

posible deducir el comportamiento de los suelos correspondientes. As, por

ejemplo, la montmorillonita y la nontronita, o tambin la vermiculita, con

partculas aplanadas y pequeas, gran densidad de carga y altas capacidades

de cambio catinico, sern muy expansivas. La illita o la caolinita lo sern

menos, y la pirofilita o la serpentina muy poco o nada.

La expansin de un suelo se podr consecuentemente asociar con la presencia

de partculas arcillosas que puedan provocar esta expansin. Habitualmente se

consideran tres minerales arcillosos, montmorillonita, illita y caolinita, que por su

abundancia respecto a otros se pueden considerar bsicos a efectos de

estudiar este fenmeno. La Tabla 1.1 presenta, como referencia, la estructura y

principales caractersticas de estos tres minerales.

Tabla 1.1 Propiedades de los minerales arcillosos expansivos (Lambe,

1959)(30)

.

De acuerdo con este origen los suelos expansivos podrn ser

residuales procedentes de rocas gneas, aunque procesos de transporte

puedan modificarlos de su situacin inicial, ya sea antes o despus

de su degradacin. En ambos casos ambientes fluviales o en aguas

subterrneas, ricas en calcio, tendern a producir arcillas con alta

proporcin de este elemento como in de cambio, mientras que en

ambientes marinos ser el sodio el predominante.

Estimacin del potencial de expansin

No existe ningn ensayo de identificacin de suelos que nos permita asegurar

que un suelo arcilloso va a producir o no, daos por expansin. Es necesario

comparar varios mtodos, que nos permitan tener un conocimiento global del

problema tratado.

Estas correlaciones que se usan comnmente, se pueden clasificar en 3 grupos:

A. Las que determinan el tipo de mineral predominante en la arcilla.

B. Las que cualitativamente dan l grado de expansividad,

que puede ser: bajo, medio, alto, muy alto, en funcin de tablas.

C. Las que cuantifican l % de expansin y la presin de

expansin, en base a correlaciones empricas.

En estos tres grupos de correlaciones, que se utilizan comnmente,

intervienen las siguientes variables:

Contenido de partculas menores a 2 (0.002mm).

Gravedad Especfica, Gs

Densidad seca del suelo, d.

Lmites de Atterbeg (lmite lquido, ndice de plasticidad y lmite

de contraccin)

% de expansin.

Presin de expansin utilizando el consolidmetro bajo

diferentes condiciones de carga.

Contenido de humedad natural.

Presin de tapado del suelo.

Entre los mtodos, la literatura menciona una serie importante de ellos,

pero los ms comunes y de aplicacin en nuestro medio, son los

siguientes:

A) Las que determinan el tipo de mineral predominante en la arcilla:

1. Skempton (1953) En la literatura consultada se prueba que los

lmites de Atterberg de un suelo estn relacionados con la capacidad

de adsorber agua sobre la superficie de las partculas de suelo. En

general, se estima que esta actividad en la superficie de la partcula

individual es fundamental para tamaos menores que dos micras

(0,002 mm). Segn este razonamiento, Skempton (1953) observ que

el ndice de plasticidad se incrementa linealmente con el porcentaje

de arcilla menor a 2 micras y defini una magnitud que la llam

actividad:

Actividad = Ip

% < 2micras

Mientras mayor sea este nmero, mayor ser la presin probable de

expansin de un suelo, ya que contendr montmorillonita, como

muestra la Figura 1.7 (b). En la Figura 1.7 (a) se muestra la

variacin lineal que tiene el ndice de plasticidad con respeto al % de

partculas menores a 0.002mm., en una serie de ensayos realizados

a diferentes arcillas en Inglaterra. Este valor de actividad no

cuantifica ni califica al % de expansin de un suelo, pero si nos da

una idea clara, sobre el mineral que conforma al material arcilloso.

IND

ICE

DE

PL

AS

TIC

IDA

D

IN

DIC

E D

E P

LA

ST

ICID

AD

Ing

. Pa

blo

E. Vlez D

vila

Un

iversid

ad d

e C

uen

ca

100 500

Shellhaven

80 (1.33)

Arcilla de londres

(0.95)

60

400

300

Montmorilonita sdica

(A = 7.2)

Arcilla de Weald

40 (0.63)

200

Horten

20 (0.42)

100

0 20 40 60 80 100

FRACCION ARCILLOSA ( 2u) %

0 20 40 60 80 100

FRACCION ARCILLOSA ( 2u) %

(a) (b)

Figura 1.7: Relacin entre el parmetro Actividad y el mineral de arcilla que constituye el suelo. (Segn Skempton, 1953)

Ind

ice d

e

2. Seed, Woodward, and Lundgren (1964)(34), estudiaron las

propiedades de plasticidad de algunas arcillas preparadas

artificialmente y concluyeron que la relacin del ndice de plasticidad

con l % de arcilla menor a 2 micras es lineal, como lo observ

Skempton (1953)(33), pero la lnea no siempre pasa por el origen.

Mostraron que esta relacin puede ser representada por dos lneas

rectas. Si el % de material que pasa 0,002mm es mayor que el 40%

la lnea pasa por el origen y cumple la expresin propuesta por

Skempton; si es menor que el 40%, la expresin es la propuesta por

Seed. (Ver Figura 1.8). Aplicando el mismo criterio de Skempton

(1953)(33), este valor nos da una idea clara del material que constituye

la arcilla.

0 10 40

% de arcilla menor a 2 micras

Figura 1.8. Actividad de la arcilla (segn Seed, Woodward, and Lundgren, 1964)

Actividad = Ip

(% < 2micras -10)

3. Marn Nieto (1991)(35), propuso el mtodo del gradiente mineral para

determinar el mineral de arcilla predomnante de un suelo. Se basa

en diferentes anlisis realizados a las arcillas expansivas de las

provincias de Manab y Azuay, especficamente en el sector de Javier

Loyola, Azogues. En la carta, se dibuja en las abscisas el valor del

lmite lquido dividido para el ndice de plasticidad y en las ordenadas

el ndice de plasticidad; la lnea A es la de la Carta de plasticidad de

Casagrande, L.L =0.73 (I.P - 20), graficada en escala logartmica

en los dos ejes. (Ver Figura 1.9).

IND

ICE

DE

PL

AT

ICID

AD

%

Materiales con un L.L / I.P menores que 2 y un I.P mayor que 60%

nos indican la presencia de montmorillonita en el suelo, por lo tanto

es un suelo que puede presentar un alto % de expansividad.

Lmite Lquido / Indice de Plasticidad

Figura 1.9. Gradiente mineral (Segn el Ing. Luis Marn Nieto)

B) Las que califican cualitativamente.

1. Mtodos de Holtz y Gibbs (1954)(36) califica el grado de

expansividad en funcin del ndice de plasticidad. (Ver Tabla 1.2)

ndice de plasticidad 0-15 10-35 20-55 >55

Grado de expansividad Leve Medio Alto Muy alto

Tabla 1.2 Mtodo de Holtz y Gibbs, funcin del ndice de plasticidad

Otro criterio, tambin debido a Holtz y Gibbs (1954)(36), se establece

en base al lmite de contraccin. (Ver Tabla 1.3)

Lmite de contraccin >12 10-12

Holtz y Gibbs (1956), propone otro mtodo, mencionado por John D.

Nelson, Debora J. Miller (37), en donde se establece que el grado de

expansin de una arcilla est en funcin de los siguientes parmetros

(Ver Tabla 1.4)

Contenido de coloide

( 28 >35 30 Muy alto

20 13 25 41 7 12 20 30 Alto

13- 23 15 28 10 16 10 30 Medio

>15 15 15 20-35

Medio 15 -25 10 -15 35-50

Alto 25 - 41 7-12 50-70

Muy alto > 35 < 11 > 70 Tabla 1.5. Holtz (1959) y Dakshanamurthy y Raman (1973)

3. Seed et al. (1962) (39), en un estudio extenso sobre las caractersticas

de expansin de arcillas compactadas, desarrolla una carta basada

en la actividad de la arcilla y el porcentaje de coloides, clasificando a

las muestras en funcin del % de expansin en bajo, medio, alto y

muy alto potencial de expansin. (Ver Figura 1.10)

AC

TIV

IDA

D

5

Potencial de expansin = 1,5%

4 Potencial de expansin = 5%

Potencial de expansin = 25%

3

2 Muy alto

Alto

1

Bajo

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

FRACCION ARCILLOSA ( 2u) %

Figura 1.10. Potencial de hinchamiento en funcin de la actividad de las arcillas (segn Seed et al, 1962).

C) Las que califican cuantitativamente.

Los ensayos edomtricos realizados sobre muestras inalteradas,

permiten medir directamente la expansin del suelo cuando estos se

inundan. En la actualidad se pueden realizar ensayos de expansin

libre, ensayos a volumen constante, o ensayos de expansin bajo

carga. A partir de ellos es posible determinar algunos parmetros

que no solamente se utilizan para clasificar a los suelos, sino que, y

sobretodo, se usan para calcular o estimar la expansin que se

producir en el terreno, bajo las condiciones particulares que se

estn analizando. A partir de estos ensayos, varios investigadores,

como: [Komormk y David (1969)(40); Nayak y Christensen (1970)(41);

Vijayvergiya y Ghazzaly (1973)(42); ONeill y Ghazzaly (1977)(43) y

Gogoll (1970)(44)], han propuesto algunas ecuaciones que permiten

obtener la expansin libre y la presin de expansin en funcin de

las propiedades ndice de los suelos.

1. Mtodo de Komormk y David. (1969)(40)

Este mtodo es una comparacin estadstica de 200 resultados

medidos, que han permitido predecir la presin de hinchamiento

con base en la determinacin del lmite lquido (LL), de la

densidad seca ( ) y del contenido de humedad natural ( ). En

base a ensayos en el consolidmetro, con una presin inicial de

1lb/pulg2 (1PSI =0.07 Kgf/cm2).

La ecuacin encontrada es la siguiente:

d= Densidad seca kg-m/m3

%

%

El siguiente es un ejemplo de aplicacin de esta expresin, citado

por Joseph E Bowles(38).

Dado un suelo con un lmite lquido de 60%, humedad natural del

25% y un d=1330 kg-m/m3. Determinar la presin de expansin

posible de este suelo.

Tomando el antilogaritmo de 0.592 y recorriendo el punto una

dcima a la izquierda, se obtiene que:

= 3.908 recorriendo el punto.

Ps = 0.391 kgf/cm2

2. El mtodo de Nayak y Christensen (1970)(41)

Este mtodo ha desarrollado dos relaciones estadsticas, una

para medir % de expansin y otra para la presin de expansin en

funcin del ndice de plasticidad, del % de partculas de arcillas y

el contenido de humedad inicial. Estas ecuaciones son las

siguientes:

SP= % expansin libre

IP = ndice de Plasticidad %

C = Contenido de partculas menores a 0.002mm, en %.

inicial = Humedad inicial %

PP= Presin de expansin posible en lb/pulg2.

(1lb/pulg2 = 0.07Kgf/cm2)

Cabe indicar que estas ecuaciones fueron obtenidas a partir de 18

muestras artificiales, mezclando arcillas que se encuentran

comercialmente como la bentonita, kaolinita, con arena de slice,

en diferentes proporciones para tener un rango amplio de datos

en lo que se refiere a las propiedades ndice de los suelos. La

medicin del % de hinchamiento y presin de expansin se la

realiz con probetas compactadas segn el Proctor estndar, bajo

una carga de 1 lb/pulg2.

= Expansin libre [%]

nat

=

=

Lmite Lquido [%]

Humedad Natural [%]

= Expansin libre [%]

nat

=

=

Lmite Lquido [%]

Humedad Natural [%]

3. Mtodo de Vijayvergiya y Ghazzaly (1973)(42)

El mtodo define el ndice de expansin de suelos como la

relacin entre la humedad natural del suelo y el lmite lquido y lo

correlaciona con el hinchamiento medido en el consolidmetro,

bajo una sobrecarga de 0.1 kgf/cm2 y la presin de expansin.

Donde: SP

LL

4. ONeill y Ghazzaly (1977).(43)

Proponen la siguiente ecuacin, para calcular la expansin libre:

Donde: SP

LL

Mtodo aconsejado por el Manual EM 1100-1-1904 Cap. 5 de la

U.S. Army Corps of Engineers (1990). Citado tambin por Joseph

E Bowles (38).

5. Gogoll (1970). (44)

Todas las metodologas anteriores no tienen en cuenta la presin

de tapada del suelo, o sea, la presin a la que estn sometidos

los suelos en el terreno. Es por ello que recomienda utilizar la

siguiente ecuacin, para determinar el porcentaje de expansin

final, tomando el valor de la expansin libre de cualquiera de las

expresiones anteriores.

Donde: S = Expansin final (%)

f

SP

= Presin de tapada en kgf/cm2

= Expansin libre (%)

El uso de todos los mtodos descritos anteriormente han dado en ciertas

zonas resultados razonablemente buenos. Sin embargo, su aplicacin

para un suelo determinado debe usarse con precaucin y,

preferiblemente, comprobarse con la ejecucin de algunos ensayos.

Otros mtodos

Existen otros mtodos para determinar la potencialidad a la expansin

de los suelos, consistentes en inundar muestras compactadas, y medir

el hinchamiento o la presin de expansin. Uno de esos ensayos es el

Mtodo de Lambe, del cual se obtiene un ndice denominado PVC

(Potencial Volumen Change), que permite evaluar el % de hinchamiento

del suelo. Otros mtodos indirectos consisten, en medir el hinchamiento

siguiendo las normas del ensayo C.B.R. Ambos mtodos tienen el

inconveniente que para su realizacin se destruye la estructura del suelo

(muestra alterada) y slo permiten evaluar en forma indirecta y

cualitativa la potencialidad de hinchamiento. Hay que mencionar que

estos mtodos son usados para vas terrestres, en donde s se altera de

alguna manera la subrasante. Para nuestro caso de investigacin, que

se enfoca ms el punto de vista de las cimentaciones, no tiene sentido

su anlisis.

En general, como resumen, puede decirse que mediante la

observacin apoyada en ensayos (todos ellos sencillos y rpidos),

suele llegarse a establecer si el problema del hinchamiento existe o no,

y hacer una clasificacin cualitativa y cuantitativa de la expansividad

de los mantos de arcillas.

CONCEPTO DE CONTRACCIN DE UN SUELO

La contraccin es la disminucin del volumen del suelo por perdida de contenido de agua

(humedad) volumen. Al igual que la expansin es un proceso que se presenta en suelos

cohesivos con alto contenido de minerales arcillosos, tales como montmorillonita y esmectita

RECONOCIMIENTO DE SUELOS EXPANSIVOS

1. Identificacin en campo

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.

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

Dao Ancho de grieta (cm)

Expansin (cm)

Severo

Medio

Ligero

> 5 1.5 5.0

< 1.5

>7.0 3.5 7.0 1.5 3.5

2. Mtodos mineralgicos

La composicin mineralgica tiene una influencia fundamental sobre el potencial expansivo de

suelos. Las cargas elctricas negativas existentes en la superficie de minerales arcillosos, la

resistencia de ligas entre capas y la capacidad de intercambio catinico contribuyen al

potencial expansivo. Es posible identificar la expansividad de las arcillas al conocer su

constitucin mineralgica. Se dispone de varias tcnicas, tales como difraccin rayo X, anlisis

trmico diferencial, anlisis qumico y microscopio electrnico.

El procedimiento de difraccin rayo X es el ms utilizado. Consiste en determinar las

proporciones de diferentes minerales arcillosos comparando las intensidades de lneas de

difraccin con aquellas definidas en substancias estndares. El anlisis trmico diferencial,

usado junto con el de difraccin X y el qumico, es capaz de identificar otros materiales difciles

de determinar. El anlisis qumico es un valioso suplemento de otros mtodos. Para grupos de

minerales de montmorillonita, este anlisis determina las caractersticas de la substitucin

isomorfa y muestra el origen y localizacin de las cargas que se tienen en las superficies

arcillosas. Con el microscopio electrnico se tiene una manera directa para observar el

material, til para definir la composicin mineralgica, textura y estructura interna. Dos

materiales con el mismo patrn de difraccin rayo X y curvas trmicas diferenciales pueden

mostrar diferentes caractersticas morfolgicas desde el punto de vista del microscopio

electrnico.

Para una identificacin confiable se deben usar varios mtodos al mismo tiempo. En la

identificacin mineralgica, particularmente la interpretacin de resultados para uso

ingenieril, requieren de conocimientos y experiencias que no tiene generalmente un

geotecnista, por lo que se debe acudir a expertos en el tema

3. Mtodos indirectos

Se han desarrollado varios mtodos de acuerdo con sus propiedades ndices para clasificar

suelos expansivos.

a) Propiedades ndice

Holtz y Gibbs (1956) utilizaron el lmite de contraccin y el ndice de plasticidad para catalogar

tres niveles en el cambio de volumen

Clasificacin de suelo expansivo de acuerdo con el lmite de contraccin

Cambio de volumen Lmite de contraccin ndice de plasticidad

Probablemente bajo

Probablemente moderado

Probablemente alto

> 12

10 12

0 10

0 15

15 30

> 30

El lmite lquido tambin ha sido utilizado junto con el ndice de plasticidad para definir tres

niveles en el potencial de expansin

Clasificacin de suelo expansivo de acuerdo con el lmite lquido

Potencial de

expansin

Expansin potencial

(%)

LL (%) IP (%) Succin del suelo

natural kg/cm2

Bajo

Marginal

Alto

< 0.5

0.5 1.5

1.5

< 50

50 60

> 60

< 25

25 35

> 35

< 1.5

1.5 4.0

> 4.0

Las propiedades ndices, particularmente los lmites de Atterberg, han sido utilizadas por

mucho tiempo para identificar de manera sencilla las caractersticas expansivas de las arcillas.

MTODOS DE MEJORAMIENTO

Los ms usuales son la estabilizacin con relleno, cal y cemento.

a) Relleno

Se reemplaza el suelo expansivo de un espesor de 1 a 2.5 m por suelos no expansivos y de baja permeabilidad. Los rellenos detrs de los muros tambin debern ser no expansivos. La baja permeabilidad de los rellenos ayudan a minimizar la infiltracin del agua hacia la cimentacin. Si solamente se dispone de suelos granulares para el relleno, deber proveerse drenes sub superficiales en el fondo del mismo.

Si no se disponen suelos no expansivos para el relleno, una adecuada compactacin del suelo natural tambin reduce su potencial de expansin. La compactacin deber ser 90% de la densidad mxima estndar con un contenido de agua superior al ptimo; una sobre compactacin incrementa significativamente el potencial de expansin y deber evitarse. Para el relleno de los muros, la formacin de un talud 1:1 ayuda a disipar el empuje lateral.

b) Cal

Este mtodo de estabilizacin es el ms usado y el ms efectivo entre varios mtodos de estabilizacin qumica. La efectividad del mtodo se mide en funcin del contenido ptimo de cal de modificacin que es el porcentaje que maximiza la reduccin del ndice de plasticidad del suelo. La cantidad de cal necesaria para alcanzar la reduccin ptima es entre 2 a 8 % del peso seco del suelo. Este mtodo de estabilizacin es recomendable cuando se logra una reduccin de 50% en el ndice de plasticidad con el contenido ptimo. Una vez identificado el contenido de cal ptimo, se recomienda determinar los ndices de plasticidad para los contenidos de 2% inferior y superior al ptimo.

El tratamiento con la cal es aplicable solamente para un espesor menor de 50 cm, por lo que deber seleccionar otras soluciones si la zona activa est ms profunda. Un suelo estabilizado con la cal incrementa su permeabilidad con respecto a la del material no tratado, por lo que deber proveer proteccin contra infiltracin del agua hacia el suelo. La compactacin con el 95% de la densidad mxima estndar y un contenido de agua ptimo tambin ayudar a disminuir el potencial de expansin.

c) Cemento

Cuando la cal sola no es suficiente para lograr el nivel de estabilizacin deseado, se puede agregar el cemento; la cantidad usual del cemento es entre 10 a 20% del peso seco del suelo. Una combinacin de cal-cemento o cal-cemento-ceniza volcnica puede ser un catalizador adecuado si este se comprueba en el laboratorio.

LIMITE DE CONTRACCION

En el estado semislido, el proceso del decrecimiento de volumen del suelo es

precisamente igual al valor de agua perdida por evaporacin. Sin embargo cuando el

contenido de humedad llega a un cierto valor mnimo, la muestra deja de disminuir su

volumen con la prdida de humedad pero el peso de la muestra contina decreciendo.

Puede decirse que en ese punto la muestra pasa de un estado semislido a uno

slido. El lmite entre los dos estados es marcado por el cambio de color de oscuro a

claro y el contenido de humedad correspondiente a dicho lmite Atterberg lo denomin

lmite de contraccin.

En el estado semislido, los vacos estn completamente llenos de agua. La superficie

libre de agua se localiza dentro de la superficie de la muestra y la tensin superficial

ejerce en la superficie exterior de la muestra una presin distribuida uniforme,

comparable a la presin externa actuando como una presin hidrosttica en cada

punto perpendicular a la superficie externa de la muestra. Por esta razn el aire no

puede entrar en la arcilla ya que la presin ejercida por la tensin superficial es ms

pequea que la presin requerida para comprimir o contraer la arcilla.

En el lmite lquido la presin ejercida por la tensin superficial del agua o presin

capilar es prcticamente igual a cero. En el lmite plstico ya suma varias atmsferas

y durante el proceso de contraccin en el estado semislido su valor es todava ms

grande. Finalmente, llega el punto donde la fuerza requerida para producir el cambio

de volumen es tan grande como el mximo valor que la presin capilar puede

posiblemente suponer. Si se sigue evaporando agua, la superficie de agua capilar se

retira al interior de la muestra y el aire puede ingresar al suelo, en consecuencia, el

color del suelo cambia de oscuro a claro. El contenido de agua, cuando se produce el

cambio de color, es el lmite de contraccin. El lmite de contraccin depende

obviamente de dos factores: la compresibilidad del suelo y el mximo valor de presin

capilar.

El Lmite de Contraccin es el contenido de humedad al que un suelo pasa de

consistencia dura (seco) a friable (hmedo) (ver figura 1).

LMITE DE CONTRACCIN (ASTM D-427)

Una muestra de suelo secada lentamente (sometida a desecacin), formar un

menisco capilar entre los granos individuales del suelo. Como resultado, los esfuerzos

entre los granos (esfuerzos efectivos o inter granulares), aumentarn y el suelo

disminuir de volumen. A medida que la contraccin contina, el menisco se hace ms

pequeo y los esfuerzos capilares se incrementan, lo cual reduce an ms el volumen.

Se llega hasta un punto donde no hay mayor reduccin de volumen, pero el grado de

saturacin es esencialmente 100 %. El contenido de agua al cual esto ocurre se define

como lmite de contraccin (LC, SL o wS).

En este punto, el menisco capilar comienza a retraerse bajo la superficie del suelo y el

color de la superficie cambia de uno resplandeciente a una apariencia uniforme (el

mismo efecto se observa cuando un suelo dilatante se retrae bajo la superficie, que

adquiere apariencia uniforme (parda) debido a la reflectividad en los cambios en

superficie).

Tambin puede decirse que el lmite de contraccin es el menor contenido de

humedad al que una muestra de suelo no reducir volumen con posterior secado.

DETERMINACIN DEL LMITE DE CONTRACCIN.

Alcance y Aplicacin:

Este mtodo establece el procedimiento para determinar el lmite de contraccin de los

suelos.

Terminologa:

Lmite de contraccin: humedad mxima de un suelo para la cual la reduccin de la

humedad no causa disminucin de volumen de suelo.

Aparatos:

Plato de evaporacin. De porcelana, de aproximadamente 140 mm de

dimetro.

Esptula. O cuchillo, con una hoja flexible de aproximadamente 75 mm de

largo por 20 mm de ancho.

Molde. Cilndrico, metlico o de porcelana, con el fondo plano y de

aproximadamente 45 mm de dimetro y 13 mm de altura.

Regla de enrase. De acero, de aproximadamente 150 mm de largo.

Taza de vidrio. De aproximadamente 60 mm de dimetro y 30 mm de altura,

con su borde superior pulido y esencialmente paralela a la base.

Placa de vidrio. Con tres puntas para sumergir la muestra en el mercurio

Probeta. Con una capacidad de 25 mm y graduada a 0.2 ml

Balanza. Con una precisin de 0.01 g.

Mercurio. Suficiente para llenar la taza de vidrio.

Horno. Con los requerimientos de la norma.

Calibracin del molde:

Pesar y registrar la masa del molde vaco (mm), aproximado a 0.1 g.

Determinar la capacidad del molde en cm3 (ml) llenndolo con mercurio,

enrasando con una placa de vidrio y midiendo el volumen de mercurio que

llena el molde por pesada y dividiendo por la densidad del mercurio ( Hg=

13.55 g/cm3). Registrar dicha capacidad como volumen de la pastilla de suelo

hmedo (Vn) aproximando a 0.01 ml.

Tamao de la muestra de ensayo:

Debe tener un tamao en masa de aproximadamente 30 g.

Acondicionamiento de la muestra de ensaye:

Si solo se requiere determinar el lmite de contraccin, tomar la muestra de

ensaye del material completamente homogeneizado que pasa por el tamiz de

0.5 mm obtenido de acuerdo con la norma AASHTO 387-80.

Colocar la muestra en el plato de evaporacin y mezclar completamente con

agua destilada en una cantidad suficiente para llenar completamente los

huecos del suelo y dejar el suelo suficientemente pastoso para colocarlo en el

molde sin inclusin de burbujas de aire.

Nota: La humedad necesaria para alcanzar la consistencia requerida en suelos

desmenuzables es igual o ligeramente superior a wL y en suelos plsticos puede

exceder a wL hasta un 10%.

Curar la muestra durante el tiempo necesario para que las fases lquida y

slida se mezclen homogneamente.

Nota: En suelos de alta plasticidad este plazo no debe ser menor que 24 h. En suelos

de baja plasticidad este plazo puede ser mucho menor y en algunos casos puede

eliminarse.

Si se requiere determinar adems el lmite lquido, tomar la muestra de ensaye

de la porcin de suelo acondicionada segn la norma.

Ensayo:

Recubrir el interior del molde con una capa delgada de lubricante (por ejemplo,

vaselina o aceite de silicn para prevenir la adherencia de suelo al molde).

Colocar una porcin de suelo hmedo de aproximadamente un tercio de la

capacidad del molde en el centro de este y extenderlo hasta los bordes,

golpeando el molde contra una superficie firme recubierta con papel secante o

similar.

Agregar una porcin similar a la primera y golpear el molde hasta que el suelo

este completamente compactado y todo el aire atrapado suba a la superficie.

Agregar material y compactar hasta que el molde este completamente lleno y

con exceso de suelo sobre el borde.

Enrasar con la regla y limpiar posibles restos de suelo adherido al exterior del

molde.

Inmediatamente de enrasado, pesar el molde con el suelo compactado. Restar

la masa del molde determinando la masa del suelo hmedo (mh). Registrar

aproximando a 0.01 g.

Dejar secar lentamente al aire hasta que la pastilla de suelo moldeado se

despegue de las paredes del molde o hasta que cambie de color oscuro a

claro.

Nota: Se recomienda efectuar el ensaye, hasta el inicio del secado, en cmara

hmeda. Si no se cuenta con este dispositivo se deben tomar todas las precauciones

necesarias para reducir la evaporacin.

Secar en horno a 110 +- 5 C hasta masa constante.

Nota: El secado en horno a 110 +- 5 C no entrega resultados fiables en suelos que

contienen yeso u otros minerales que pierden fcilmente el agua de hidratacin o en

suelos que contienen cantidades significativas de materia orgnica. En estos casos es

recomendable el secado en horno a aproximadamente 60 C.

Pesar el molde con el suelo seco. Restar la masa del molde determinando la

masa del suelo seco (ms). Registrar aproximando a 0.01 g.

Determinar el volumen de la pastilla de suelo seco.

Llenar la taza con mercurio hasta que desborde, enrasar presionando con la

placa de vidrio y limpiar los restos de mercurio adheridos al exterior de la taza.

Colocar la taza llena de mercurio sobre el plato de evaporacin, colocar el trozo

de suelo sobre la superficie del mercurio y sumergirlo cuidadosamente

mediante las puntas de la placa de vidrio hasta que esta tope firmemente

contra el borde de la taza. (Es esencial que no quede aire atrapado bajo el

trozo de suelo ni bajo la placa de vidrio).

Medir el volumen de mercurio desplazado por el trozo de suelo por pesada y

dividiendo por la densidad del mercurio (Hg = 13,55 g/cm ), registrarlo como

volumen del trozo de suelo seco ( Vs), aproximando a 0,01cm (0,01ml).

Expresin de resultados:

Calcular la humedad del suelo en el momento en que fue moldeado de acuerdo

con la frmula siguiente.

w = ((mh - ms) / ms) * 100

Dnde:

w = humedad del suelo en el momento que fue moldeado, %.

mh = masa del suelo hmedo, g .

ms= masa del suelo seco, g.

Calcular el lmite de contraccin, del suelo de acuerdo con la frmula siguiente.

wS = w ( ( (Vh - Vs ) * w) / ms ) * 100

Dnde:

wS = lmite de contraccin, %.

w = humedad del suelo en el momento que fue moldeado, %.

Vh = volumen de la pastilla de suelo hmedo, cm3.

Vs = volumen de la pastilla de suelo seco, cm3.

w = densidad del agua, gr/cm3.

ms = masa del suelo seco, g.

Cimentaciones sobre suelos con problemas de expansin y contraccin

Zapatas aisladas: Este tipo de cimentaciones puede usarse donde las capas superiores de los suelos expansivos son delgadas y adems se puede alcanzar un estrato estable de suelo no expansivo. Es recomendable que el uso de este tipo de cimentacin sea en casos tales como:

Donde los estratos superficiales de suelo tengan potencial de expansin moderado,

menor de 1%.

Donde existan presiones de expansin bajas.

Y adems la capacidad de carga de dichos estratos superficiales sea relativamente

alta, con ello se debe de vigilar las cargas sobre las zapatas no exceda dicha

capacidad.

En algunos casos zapatas con bases pequeas, han sido usadas para incrementar el

esfuerzo de contacto con lo que se trata de minimizar la expansin. Sin embargo el

bulbo de presiones, en el cual se incrementan los esfuerzos, es suficiente para

reducir la expansin hasta una profundidad de aproximadamente dos veces el

ancho de la zapata. En la mayora de la veces esta profundidad es mucho menor

que la capa activa, por lo que este tipo de cimentacin es inefectiva para prevenir

la expansin.

La profundidad depender de un anlisis de coeficiente de actividad coloidal, esa

expresin es la siguiente:

Inferior a 0,75 quiere decir que son arcillas inactivas.

Si esta entre 0,75 y 1,25 quiere decir que son arcillas normales

Si tiene ms de 1,25 quiere decir que son arcillas activas

Zapatas corridas: El empleo de las zapatas corridas deber limitarse a suelos con

potencial de expansin menor de 1% y una presin de expansin menor a 15 ton/m2.

Este sistema tiene la misma limitacin que la anterior y su xito se reduce a la disminucin

de la expansin. Por lo que la superestructura deber ser relativamente flexible. La

concentracin de la carga en la zapata se logra proveyendo un espacio vaco bajo las vigas

Arcilla activa

Estrato con contenido de humedad constante

teniendo en cuenta nunca sobrepasar la capacidad del suelo; es importante asegurarse de

que las presiones de expansin en los bordes de la zapata se minimicen o se prevengan.

Losas de cimentacin: Las losas de concreto reforzadas con contratrabes han sido

usadas exitosamente como cimentaciones en suelos expansivos de estructuras

relativamente pesadas. Las losas de cimentacin son un excelente sistema de cimentacin

en reas donde los basamentos son muy profundos o donde las condiciones de los suelos

expansivos se extienden a gran profundidad, lo que hace que el empleo de pilotes sea

extremadamente costoso.

Usualmente se refuerza con contratrabes para darle mayor rigidez. La arcilla se remueve

en un cierto espesor (se recomienda que el espesor del suelo excavado no sea menos que

un metro) y se sustituya a ese suelo por un material de mejoramiento, de baja plasticidad

medianamente compactada, que sirva para amortiguar las expansiones de la arcilla.

La capa de mejoramiento debe estar formada por un material de baja expansibilidad, como

una arena limosa o un limo arenoso. En ocasiones se emplea la misma arcilla expansiva

mejorada con cal, o bien se puede emplear una mezcla de la arcilla con caliche. Si no se

cuenta con material no plstico a un costo razonable, se pueden alterar las caractersticas

expansivas excavando y re-compactando el suelo arriba de la humedad ptima con

un mediano grado de compactacin.

Consideraciones de diseo: El diseo de losas de cimentacin se basa en la

interaccin suelo estructura. El procedimiento de diseo consiste en predecir la

forma de deformacin, el peso y la rigidez del suelo as como tambin de la losa.

Considerando que la interaccin suelo-estructura permite determinar el cortante y

los momentos flexionantes a los cuales estarn sometidos los elementos.

Pilote: La cimentacin con pilotes se usa en combinacin con trabes las cuales se disean

para soportar la carga estructural y transferir el esfuerzo distribuido a los pilotes. Se

puede dejar un espacio vaco debajo de las vigas entre los pilotes, donde, este espacio

aislar la estructura del suelo y prevendr que la presin de expansin afecte las trabes,

adems de que ayuda a concentrar la carga sobre los pilotes para contrarrestar las

presiones de expansin.

Los pilotes pueden ser de concreto reforzado, acampanados en el fondo o no. La funcin

principal de los pilotes es transmitir la carga estructural a la zona de contacto o a la de

anclaje. Se tiene los siguientes mtodos:

Pilotes acampanados en la parte inferior en un estrato estable para poder soportar

una columna medianamente anclaje por friccin.

Pilotes largos, perforado en zona estable sin ninguna afectacin por parte de los

cambios de humedad en reas de suelos expansivos.

Tambin es necesario aclarar que este tipo de cimentaciones es la adecuada para suelos

que presentan contracciones. (La contraccin se presentara en suelos sueltos con

presencia de agua, como por ejemplo en la licuefaccin)

Consideraciones de diseo: La mayor preocupacin en los suelos expansivos es la

fuerza de expansin ejercida por la hinchazn del suelo a lo largo de las paredes del

pilote en la zona activa. Se debe de tener cuidado en la estimacin de la profundidad

de la zona activa cuando se disea este tipo de pilotes.

En el caso de los pilotes, el espacio entre el suelo y la pared del pilote puede

proporcionar un acceso para el agua a profundidades significativas. Esto es

particularmente crtico si el agua penetra los estratos o incrementa el nivel fretico,

por lo que hay que tener especial cuidado en sellar el espacio entre el suelo y el

pilote.

Deben de considerarse dos criterios de diseo de pilotes en suelos expansivos: el

movimiento hacia arriba de la parte superior y las fuerzas de tensin desarrolladas

en el mismo.

Existen tcnicas que pueden ser empleadas para disminuir la adhesin en la zona de

levantamiento que incluyen la colocacin de fundas y/o mangas de polietileno, papel

o cartn saturado de asfalto e impregnado de alquitran o capas exteriores de PVC.

Materiales como las gravas no deben de utilizarse porque pueden proveer un

camino para que el agua acceda a capas profundas lo que provocara expansiones.

Alquitran: Sustancia densa y pegajosa, de color oscuro y olor fuerte, que se obtiene por

destilacin del petrleo, de la madera, del carbn vegetal o de otra materia orgnica y se

emplea principalmente en el calafateo de buques, revestimiento de tuberas, en la

industria farmacutica y como impermeabilizante en la pavimentacin de caminos.