INGENIERIA CIVIL

Expansion de los suelosarcillosos parcialmente

saturadosPrimera parte

L1SANDRO BELTRAN MORENOIng. Civil, M.I.C., M.Sc., DIC,

Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia.

RESUMEN. En eeta primera parte del articulo se presentan las variaciones tipicas con la profundidad delcontenido de humedad y de los movimientos verticales, que exhiben los depositos de suelos arcillososexpuestos al aire libre, a las condiciones ambientales, y de otros que han sido cubiertos por obras deingenieria. De acuerdo con ellos se establecen perfiles caracteristicos del contenido de humedad, y de losesfuerzos efectivos en los suelos ubicados encima de la tabla de agua.

En la segunda parte del articulo se hara una breve descripcion de los factores que influyen sobre laexpansividad de los suelos arcillosos, y se indicaran las soluciones mas adecuadas para evitar los problemascausados por la expansion de los suelos arcillosos, cuando sobre ellos se construyen estructuras livianas.

EI articulo fue presentado en el Primer Encuentro Nacional de Ingenieros de Suelos y de Estructuras,evento que se se realize en Santafe de Bogota entre el4 y el 6 de Septiembre de 1991.

INTRODUCCION

Los depositos de suelos areillosos pareialmentesaturados sometidos a determinadas condicionesambientales pueden presentar hinchamientos yexpansioaes, en cambio de las disminuciones devolumen nebidas a la consolidacion, cuando sobreellos se levantan las obras de ingenieria. Si estasobras no han sido diseiiadas y construidas pararesistir dicho tipo de movimientos, se presenta suagrietamiento y rotura, que en casos extremospueden conducirlas al colapso. Ademas delconocimiento de los factores que influyen en laexpansion, es importante tener alguna idea sobreel mecanismo que sigue el proceso de expansion.El procedimiento mas adecuado para establecer estemecanisme debe utilizar observaciones y me-diciones en el terreno, en el suelo expansivo y bajolas estructuras. Beltran (1991-c) presento una

descrrpcion detallada del mecanisme de laexpansion; a continuacion se hace un resumen delos aspectos mas relevantes.

COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS

ARCILLOSOS EXPUESTOS AL AIRE L1BRE

1. DISTRIBUCI6N DE LA HUMEDAD

Diferentes autores han presentado perfiles de lavariacion de la humedad con el tiempo, consi-derando condiciones ambientales y geotecnicasdiferentes. Kassiff et al (1969) muestran en laFigura N° 11a variacion del contenido de humedadcon la profundidad observada en cercanias deAfulah, Israel, entre Septiemhre de 1956 y Juliode 1957, en la que ademas se incluyo el efecto de la .irrigaci6n al final del invierno. La inundacion

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Expon sion de los suelos orcillosos porciolmente soturados. Primera porte

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FIGURA N'l.Distribucion estacional de lo.humedad en un deposito d. areilla expuesta, afectada tembien por irrigacion,

s.luado cerca de Afulah, Israel. (Ka.siH el 01, 1969).

aumenta las variaciones en el contenido de lahumedad con la profundidad, ya que a 2 m. es elorden de 8-10%. Los autores resaltan la importanciade estos factores, pues se ha encontrado que muchasedificaciones cimentadas sobre arcillaspotencialmente expansivas se comportan satis-factoriamente, a pesar de los efectos estacionalespero resultan agrietadas por los cambios originadospor factores extern os, como el riego de jardines y elrompimiento de tuberias de agua.

Como una conclusion de diferentes perfilesencontrados, Kassiff et al (1969), indican que sepuede dividir el perfil de humedad del suelo en unazona superior, «activa», hasta una profundidadentre 2.0 m. y 2.5 m. , y una zona inferior,«inactiva», con cambios muy pequeiios durante todoel ano, Sin embargo, debido a que las caracteristicasde humedad de un perfil dependen de factores talescomo la diatrrbucion de la avap or acion ypreciprtacinn , la plasticidad, la permeabilidad, y laprofundidad del nivel freatico regional, se debenesperarvariaciones notables en diferentes sitios delmundo.

2. MOVIMIENTOS

Kassiff et al (1969) tambien observaron losmovimientos verticales presentados por los perfilesno cubiertos mencionados en el numeral anterior,como se aprecia en la Figura N° 2, encontrandoexpansiones de la superficie cercanos a los 7 em.,las cuales disminuyen con la profundidad. La causadel mayor desplazamiento superficial es sin dudael mayor humedecimiento que se produce en la cap asuperior del suelo, por lIuvia y por irrigacion.

De otra parte, Ward (1953) inforrno sobreobservaciones de los movimientos del terrenorealizados a largo plazo y bajo condicionesdiferentes de suelo, clima, vegetacion y cobertura,en tres sitios diferentes. Los lugares estudiadosestuvieron localizados en el Sur-Este de lnglaterra,donde el autor encontro dafios en estructurasligeras de ladrillo con cimentaciones superficiales,as; como distorsiones en carre teras y canales dedrenaje. En estos tres casos, los movimientos en lasuperficie alcanzaron un maximo de 6.0 cm.,mientras que a una profundidad de 0.60 m. se

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Expansion de los suelos orcillosos parcialrnente safurados. Pnrnera parte

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DISlRlBUCION DE LA PRECIPITACION

FilGURA 2.Movimienfos verticales estacionales de una arcHla expuesta, afectada tambi'n por irrigaci6n,

cerca de Afulah, Israel. (Kassiff et ai, 1969)

oj Contenido de mrreoco en eI suero. 8 Mazo 1951

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b] Contenldo de hLrnedad en el suelo. 7 Enero 1952

FiIGURA 3.Humed.ad en el suelo de fundaci6n de un edificia experimental, sabre la linea N·S. (Jennings, 1953).

38 Ingenieria e Investigaci6n

Exponsion de los suefos arcillosos parcialmente soturodos Primero porte

(28.5.65)

FIGURA NO 4.Lineas de igual humedad debaio del recubrimiento de concreto en el canal Beth Netufa,

Israel. (Kassiff el 01, 1967).

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FIGURA 5. Levanlamienlo promedio de una carrelera en Leevhof. (Williams, 1965).

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Expansion de los suelos orcillosos pcrciohnonto saturados Primera parte

observaron valores entre 2.0 y 3.0 cm. A unaprofundidad de 1.5 m. los movimientos fueron solodel orden de 2 a 3 mm.

COMPORTAMIENTO DE LOS SUELOS AR-

CILLOSOS CUBIERTOS

1.DISTRIBUCION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

Jennings (1953) estudiando el problema dellevantamiento de algunos edificios en Surafrica,observe el aumento general en el contenido dehumedad que se produce luego de coneluida laconstruccion de una edificacion, como se muestraen la Figura N° 3. Kassiff et al (1967) realizaron lami sma ohsarvacion , peru est a vez debajo delrecubrimiento de un canal en Beth-Netufa, Israel(Figura N° 4), encontrando que el contenido dehumedad aumento inicialmente comoconsecuenciadel cubrimiento del area en el invierno, pero luegopermanecio aproximadamente constante duranteel resto del afio. Esta ultima observacion secomprobo dentro de un periodo de dos anos,contados a partir del recubrimiento del canal.

2. MOVIMIENTOS

Como es de suponer, a medida que aumenta el con-tenido de humedad se produce el hinchamiento delsuelo. En la Figura N° 5, Williams (1965) presentalas mediciones de movimientos verticales realiza-dos en una carretera con superficie impermeablede Surafrica, apreciandose elaramente la tendenciageneral del hinchamiento, casi independiente delas variaciones estacionales, para llegar a laastabilizacion despues de un periodo de 5 a 7 anos.

Jennings (1953), compara en la Figura N° 6 ellevantamiento detectado en el centro de laedificacion, con los movimientos observadosdurante el mismo periodo de varios puntos dereferencia localizados a diferentes profundidades,pero en el campo abierto adyacente. Sefiala lanotable independencia del hinchamiento en elcentro de la odificacion, con respecto ala presentadaen campo abierto.

PERFILES CARACTERiSTlCOS DEL CONTE·

NIDO DE HUMEDAD

A partir de las observaciones de los perfiles dehumedad de los suelos que presentan movimientos

expansivos, se han estahlecido perfiles tipicos paradiferentes condiciones climaticas. Kraynski (1967)elaboro los perfiles de humedad caracteristicos desuelos homogeneos mostrados en la Figura N° 7.En este caso la curva 1 representa la humedad deequilibrio que se alcanza finalmente bajo el areacubierta, mientras que la curva Zcorresponde a ladistribucion de la humedad bajo un area descu-hierta en el verano. Se puede apreciar que laevaporacion produce perdidas apreciables en elcontenido de humedad, la cual disminuye progresi-vamente con la profundidad, hasta que a unaprofundidad Hd el contenido de humedad de

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TIEMPO EN "-ESES

FIGURA 6.Los efectos del cubrimiento sobre los movimientos

ver1icales medidos a varias profundidades(Jennings, 1953).

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Expansion de los suelos nrcillosos porcialmente soturados. Primero porte

INCREMENTO EN EL CQNTENlDO DE HUMEDAD DEL SUElO

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1 CONTENIDO DE HUMEDAD DE EQUllIBRtO.2. CONTENIDO DE HUMEDAD EN VERANO.3. CONTENIDO DE HUMEDAD EN I~ERNO.Hs. PROFUNDIDAD DE VARIACION DEL

CONTENIDO DE HUMEDAD.Nd, PROFUNDIDAD DEL SECAMIENTO .

equilibrio se mantiene constante. EI valor Hd paraun perfil de suelo determinado depende de, lascondiciones climaticas, el tipo de suelo, la situacionde la tabla de agua y las dimensiones del areacubierta, Durante el inviemo la parte superior dela curva 2 cambia a la curva 3, Asi mismo se defineuna profundidad Hs hasta don de las fluctuacionesestacionales afectan el perfil de contenido dehumedad, Esta profundidad depende de lasvariaciones de la humedad en la superficie, lapermeabilidad del suelo y las condiciones clima-ticas, Como se explico anleriormente, la profundi-dad de la capa activa, definida por Hs, puedealcanzar valores entre 2,5 y 3,0 m., pero en algunassituaciones Be han observados profundidades de 7.5m. De otra parte, de acuerdo con Chen (1976), losvalores de Hd son dificiles de conocer, pero su valormaximo debe ser la profundidad de la tabla de agua.

Como conclusion de las explicaciones dadas, sepuede door que en la naturaleza se produce un

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FIGURA 7.Vanacion del conlenido de humedad con la profundidad debajo de la superficie dellerreno. (Kraynski, 1967).

desplazamiento des de el perfil de humedadexistente antes de cubrir el suelo, representado porlas curvas 2 y 3 de la Figura N° 7, hacia el perfil deequilibrio dado por la curva I. Como consecuencia,durante el desplazamiento de los perfiles Be originaun aumento importante del contenido de humedad(dependiendo de los valores Hs y Hd) y, correspon-dientemente, en cualquier caso se detectanhinchamientos 0 levantamientos. Obviamente, losmovimientos finales seran mas bajos en aquelloscases donde el cubrimiento del area se realiza alfinal del inviemo.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE

HUMEDAD

Se han expuesto varias teorias que tratan deexplicar la forma como se produce el aumento dehumedad bajo un area cubierta. Algunas de ellas

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Expansion de los suelos arcillosos parcialmente saturados. Primera parte

se expresan POl' medio de modelos matematicos quecon ti n u a n m ejo ra n do se , mientras que otraspresentan formulas para predecir con relativo exitolos levantamientos correspondientes del terreno.

Jennings (1953) considero que las explicacionessuministradas POl' Croney et aI (1950), basadas enla humedad de succion del suelo, serian muyprometedoras. Esta es ciertamente la teoria detransferencia de humedad mas aceptada hoy en dia.En palabras de Jennings (1953), se explica comosigue:

"(...). En un sitio descubierto se puede asumirque la humedad de cualquier punta dentro de unperfil de suelo parcialmente saturado se encuentrageneralmente en equilibrio con las condicionesimpuestas por los esfuerzos aplicados en ese pun to,las fuerzas debidas a evaporacion y transpiracionaplicadas sobre la superficie, y las fuerzas decapilaridad que deben existir POl' encizua de la tablade agua, y a cierta distancia desde la superficie. Lapresencia de una edificacicn sobre la superficieelimina casi completamente las fuerzas causadasporIa evap oraci on y la tran sp ir aci on , y enconsecuencia, se produce un nuevo conjunto de

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condiciones cuando la edificacion se levanta en elsitio previamente descubierto.

Con la construccion del edificio se origina unasituacion inestable en la humedad, con el conse-cuente flujo de agua hasta que se establece unanueva condicion de equilibrio general. La fuerzaque ocasiona este flujo de humedad esta asociadacon los gradientes de succion (0 tension), de talforma que el agua, ya sea proveniente del nivelfreatico 0 de una fuente extema, como la precipi-tacion, se desplazara hacia el edificio, produciendola mayor acumulacion en el centro donde lainterf~rencia fisica con respecto a las condicionesorigin ales ha sido mayor".

ESTADO DE ESFUERZOS

Cada suelo presenta una relacion directa entre elcontenido de humedad y la presion existente en elagua de poros. Diferentes investigadores hanencontrado relaciones de este tipo, e.g. Black et ai,1958. Hoy en dia se ntiliza un papel de filtronormalizado para establecer la succion existenteen un suelo, midiendo el contenido de humedad

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FIGURA 8.Estado de esfuerzos en un perfil homogeneo de suelo arcilloso parcial mente saturado,

en verano y en invierno.

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Expansion de los suelos orcillosos parciolrnenle salurados. Prirnera parle

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FiIGURA 9.Cambios en el estado de esfuerzos de un perfil de suelo arcilloso homogeneo parcial mente saturodo, cuando

se cub.. 10 superficie.

que alcanza en el equilibrio, luego de estar encontacto con el suelo. Este papel se calibrapreviamente, determinando la relacion entre elcontenido de humedad y la succion. Mayorinformacion sobre esta tecnica se encuentra enRuiz et al (1991). Con base en observacionesrealizadas por varios autores, Jennings y Kerrich(1962) expusieron un modelo de comportamientopara el perfil de un suelo desecado basado en lateoria de la consolidacion, mediante el cual laexpansion se explica en terminos de las variacionesque se producen en los esfuerzos efeetivos. Comose puede apreciar en la Figura N" 8, en la situaciondel perfil de humedad de un suelo durante elverano, el esfuerzo efectivo inicial s'ov a laprofundidad z esta definido por la distancia AB,mientras que el esfuerzo efectivo a la mismaprofundidad en el invierno, s' 0" esta dado por ladistancia CD, que es menor que AB, y por 10tantoimplica una expansion del suelo.

Cuando se cubre la superficie del terreno conuna construccion, como se muestra en la FiguraNo.9, despues de algun tiempo se puede producir

un ascenso en la tabla de agua si el area cubiertaes extensa, y el esfuerzo final s'" correspondienteala situacion de equilibrio luego de colocar la cargasobre el suelo, est .. dado por la distancia EF. Si elarea cubierta es pequeiia no se debe esperar unascenso del nivel freatico, pero de todas manerasse produce una disminucion del esfuerzo efeetivoen la zona del suelo ubicado por encima de este,asumiendo que la construccion se realiza al finaldel periodo seeo 0 de verano. De esta manera seexplica directamente la forma como se produce laexpansion, con base en los conceptos aceptados dela teoria de la consolidacion, ya que una reduccionen el valor del esfuerzo efeetivo necesariamen tedebe causar expansion.

A pesar de los notables avances que se hanrealizado en este campo, al menos en teoria, en lapractica subsisten problemas importantes sinresolver, tales como las mediciones adeeuadas delas tensiones 0 succiones en el aire y el agua de unperfil parcialmente saturado, y la representacionde estos valores en las muestras que se ensayan enellaboratorio.

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,BIBLIOGRAFIA

RECONOCIMIENTOS

Este articulo hace parte de la Investigacion deArcillas Expansivas en Colombia, que laUniversidad Nacional de Colombia realiz6 confinanciaci6n de COLCIENCIAS.

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