SUELOS COLAPSABLES

Los suelos colapsables son aquellos no saturarados en los cuales se produce un reacomodo radical de las partículas y por ende una gran pérdida de volumen por remojo. Este cambio puede o no ser el resultado de la aplicación de carga adicional.

Denominado suelo metaestable, debido a que su comportamiento no solo depende de sus propiedades intrínsecas y de factores mecánicos (suelos estables), sino que también está controlado por factores externos al suelo, como lo son los factores químicos, variaciones ambientales , entre otros.

Los suelos colapsables presentan características comunes tales como esctructuras macroporosas, es decir con un alto índice de vacios (e). Además poseen una granulometría predominantemente fina con predominio de fracciones de limos y de arcilla. El tamaño de los granos es generalmente poco distribuido y con los granos más grandes escasamente meteorizados. La mayoría de las veces, la cantidad de la fracción arcilla es relativamente escasa, pero sin embargo, tiene una influencia importante en el comportamiento mecánico de la estructura intergranular. Por último presentan una estructura mal acomodada, con partículas de mayor tamaño separadas por espacios abiertos, y unidas entre sí por acumulaciones o "puentes" de material predominantemente arcilloso. En muchos casos existen cristales de sales solubles insertados en tales puentes o uniones arcillosas.

CAUSAS DEL FENOMENO

- Estructura parcialmente saturada potencialmente inestable.

- Una componente de esfuerzo aplicado o existente, lo suficientemente alta para desarrollar una condición metaestable.

- Un ligante resistente o un agente cementante para estabilizar contactos intergranulares, el cual se reduce por remojo ocasionando el colapso. La mayoría de

suelos colapsables involucra la acción de partículas arcillosas en los enlaces entre los granos gruesos de arena.

- Agentes cementantes tales como: óxido de hierro, carbonato de calcio, o la soldadura de granos en contacto, proporcionan esfuerzos resistentes para muchos suelos colapsables. La acción de este cementante es frecuentemente el agente principal de colapso en loess. El grado al cual el agente cementante pierde su efectividad depende del grado de contaminación, del ingreso del agua y del grado de disolución del agente cementante involucrado.

- Un incremento en la carga podría aumentar este efecto; también una elevación en la presión sobre el suelo incrementaría el grado de disolución, el cual podría producir un incremento retardado en la consolidación. Sin embargo, cualquiera que sea la base física del esfuerzo ligante, todos los suelos colapsables son debilitados por la adición de agua. Un colapso es más inminente cuando los granos son mantenidos juntos por succión capilar, siendo lento en el caso de cementante químico y mucho más lento en el caso de arcillas.

TIPOS DE SUELOS COLAPSABLES

1.- Suelos transportados por agua, es decir dejados por inundaciones y flujos de lodo, los cuales se secan y quedan pobremente consolidados.

2.- Suelos eólicos, son arenas y/o limos depositados por el viento, el cual forma dunas, depósitos tipo loes, playas eólicas y grandes depósitos de ceniza volcánica, los cuales tienen altas relaciones de vacíos, pesos especificos bajos y sin cohesión o ligeramente cohesivos.

3.- Suelos residuales, producto del intemperismo y la desintegración y alteración mecánica de rocas madres. El proceso de intemperismo produce suelos con un gran rango de tamaños de particulas. Los materiales solubles y coloidales son lavados por el intemperismo, generandose grandes relaciones de vacíos.

SUELOS AUTOCOLAPSABLES Y POTENCIALMENTE COLAPSABLE

En el gráfico semilogarítmico que representa el comportamiento de un suelo, un ensayo a compresión confinada realizado sobre en condición saturada, se puede observar un quiebre en la curva de compresibilidad. La presión axial a la cual se produce este quiebre o este cambio de comportamiento se la denomina Presión de Fluencia Saturada o Presión Inicial de Colapso. En principio se establece que para presiones menores a esta, el suelo tiene un comportamiento elástico y los asentamientos por colapso son bajos y nulos. Por el contrario, para presiones mayores a la de Fluencia el suelo tiene un comportamiento elásto-plástico y los asentamientos por colapso son importantes.

Se dice que un suelo es auto colapsable cuando la presión de tapada o

geoestática (σ0) es superior a la Presión Inicial de Colapso (σi.col) . Esto quiere decir que cuando en ese suelo se produzca el humedecimiento, se producirán asentamientos importancia con solamente la acción de su peso propio.

Se designa con suelos potencialmente colapsable a aquellos suelos en los que la

presión de tapada o geo-estática (σ0) es menor a la Presión Inicial de Colapso.

Una manera mas claro y simple de entender la diferencia entre suelos autocolapsables y potencialmente colapsables, es que el primero colapsa bajo su propio peso y el segundo colapsara bajo aumento de cargas.

COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURAS EN SUELOS COLAPSABLES

Las edificaciones cimentadas sobre los suelos colapsables probablemente sufran agrietamientos de sus estructuras o inclinaciones, debido a los asentamientos excesivos y desiguales que se produce por este fenómeno, el cual es causado por el incremento de una humedad no anticipada, que puede provenir de varias fuentes, como tuberías rotas, drenajes con fugas, drenaje del agua de depósitos y albercas, incremento lento del nivel freático, riego excesivo de jardines.

METODOS DE IDENTIFICACIÓN DE SUELOS COLAPSABLES

1.-Clasificación de metodos

Estos se pueden clasificar en tres grupos:

- Métodos basados en parámetros físicos de identificación de suelos, tales como Peso Unitario, Límites de Consistencia, Granulometría, etc.

- Métodos basados en ensayos mecánicos, principalmente en ensayos edométricos.

- Métodos basados en la magnitud del colapso.

Métodos basados en parámetros físicos de suelos

En la actualidad existen diversos métodos que evalúan las características de los suelos colapsables, para lograr su identificación. En la siguiente tabla se resume los criterios expuestos por diversos investigadores para la identificación de dichos suelos:

Métodos basados en ensayos mecánicos

En el año 1975, los investigadores Jennings y Knight, propusieron un procedimiento para poder describir el potencial de colapso de un determinado suelo. Este consiste en tomar un espécimen de suelo inalterado con su contenido de humedad natural en un anillo de consolidación, para luego aplicar cargas escalonadas al espécimen hasta alcanzar una presión de 29 lb/pulg2 (2oo kN/m2), lo que se visualiza en la primera curva de la grafica inferior. Bajo esta presión se inunda la muestra hasta saturarlo y se deja reposar 24 horas. Después de la saturación la relación de vacios bajo la misma presión disminuye bruscamente (e2), lo que se denomina colapso. La rama de la curva e-log (p) que inicia con una relación de vacíos e2, representa al espécimen bajo carga adicional luego de la saturación.

Este aporte de Jennings y Knight nos permite entender claramente el comportamiento de suelos colapsables bajo cargas.

PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR EL ASENTAMIENTO DE COLAPSO

Jenninngs y Knight en el año 1975 propusieron un procedimiento del laboratorio para poder determinar el asentamiento de colapso de estructuras al saturarse el suelo. A continuación se describen los pasos de dicho procedimiento:

1.- Obtenga 2 especímenes inalterados de suelo para probarlos en un aparato de pruebas de consolidación estándar (Odómetro).

2.- Someta a los 2 especímenes a una presión de 0.15 lb/pulg2 (1Kn/m2) durante 24 horas.

3.- Después sature un espécimen inundándolo y el otro se mantiene con su contenido de agua natural.

4.- Después de 24 horas de inundación, continúe con la prueba de consolidación en ambos especímenes duplicando la carga (Igual al procedimiento que en la prueba de consolidación estándar) hasta alcanzar el nivel de presión deseado.

5.- Trace las graficas e-log (p) para ambos especímenes.

6.- Calcule la presión efectiva, pO, in situ. Luego se dibuja una línea vertical

correspondiente a la presión pO.

7.- De la curva e-log (p) del espécimen empapado, se determina la presión de

preconsolidación, pc. Si pc/ pO= 0.8 -1.5, el suelo esta normalmente consolidado; sin

embargo, pc/ pO > 1.5, esta preconsolidado.

8.- Se determina e´0, correspondiente a la pO de la curva e-log (p) del espécimen empapado.

9.- A través del punto (pO, e´0) dibuje una curva que sea similar a la curva e-log (p), obtenida del espécimen probado con contenido de agua natural.

10.- Determine la presión incremental, ∆p, sobre el suelo causado por la

construcción de la cimentación. Dibuje una línea vertical correspondiente a la pO +

∆p en la curva e-log (p).

11.- Ahora determine ∆e1 y ∆e2. El asentamiento del suelo sin cambio en el contenido de agua natural se determina con la siguiente fórmula:

Por otro lado, para el cálculo del asentamiento causado por colapso de la estructura del suelo es:

H = espesor del suelo susceptible de colapsarse

¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?

• Los suelos expansivos reducen su volumen cuando se reduce su humedad

• Los suelos colapsables reducen su volumen cuando aumenta su humedad

• La manifestación exterior puede ser similar

• El límite líquido permite distinguirlos

– Expansivo LL>50, ωsat << LL

– Colapsable LL<35, ωsat ≅ LL

Ll = Limite liquido

ωsat = Contenido de humedad de saturación del suelo