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Suelos expansivos Suelos colapsables Suelos crióticos (84.07) Mecánica de Suelos y Geología Alejo O. Sfriso: [email protected] Ernesto Strina: [email protected] Mauro Codevilla: [email protected]
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Suelos expansivosSuelos colapsables
Suelos crióticos
(84.07) Mecánica de Suelos y Geología
Alejo O. Sfriso: [email protected]
Ernesto Strina: [email protected]
Mauro Codevilla: [email protected]
Índice
• Suelos “especiales”
• Suelos expansivos
• Suelos colapsables
• ¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?
• Suelos crióticos
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Suelos de comportamiento“especial” en el edómetro
Suelos expansivos
Suelos parcial o totalmente saturados que aumentan su volumen cuando aumenta su contenido de humedad, a carga constante
Suelos colapsables
Suelos parcialmente saturados que reducen su volumen y resistencia cuando aumenta su contenido de humedad, a carga constante
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Suelos de comportamiento“especial” en el triaxial
Suelos cementados
Suelos que poseen una componente de la resistenciaque se pierde con el progreso de la deformación
Suelos sensitivos
Suelos que reducen su resistencia con el progreso de la deformación
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Suelos de comportamiento“especial” en carga cíclica
Suelos licuables
Suelos que exhiben rigidez y resistencia al corte (casi) nulas cuando se los somete a carga rápida debido a la generación de presión de poros por contracción
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Índice
• Suelos “especiales”
• Suelos expansivos
• Suelos colapsables
• ¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?
• Suelos crióticos
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Experiencia de contracción de arcillas
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Mecanismo de expansión: estructura interna de arcillas
100 mm, 50 mm, 20 mm, 10 mm, 2 mm, 1 mm8
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Mecanismo de expansión: absorción de agua por ósmosis
partícula de arcilla
agua y cationes adsorbidos
concentración decreciente
agua con poca concentración
Ley de Fick:sale el catión
o entra el agua
catión retenido por fuerzas
electromagnéticas: no puede salir
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Mecanismo de expansión: absorción de agua por ósmosis
entra agua por ósmosisSe s
epara
nla
s part
ícula
s
partícula de arcilla
agua y cationes adsorbidos
concentración decreciente
agua con poca concentración
Ley de Fick:sale el catión
o entra el agua
catión retenido por fuerzas
electromagnéticas: no puede salir
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Suelo expansivo: consecuencias prácticas
Cuando el suelo se humedece (regamos lasplantas) se hincha
La presión de expansiónes mucho mayor que elpeso de la vivienda
La expansión no es uniforme: daños a laconstrucción
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El índice de actividadmide la actividad eléctrica de la arcilla
Si el IP es alto conpoca cantidad dearcilla, ésta es muy activa
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Caracterización de expansividad:Indice de actividad
SEDIMENTOMETRÍAS
0102030405060708090100
110100 Diámetro (mic)
Po
rcen
tual
qu
e p
asa (
%)
C-14 0.80 m C-12 0.60 m C-7 0.60 m c-3 0.60 M� =��
% < 2�
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Caracterización de expansividad:Indice de actividad
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� =��
% < 2�
El límite de contracción es la humedad en la que el suelo deja de contraer, cambia de color y se des-satura
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Caracterización de expansividad:Límite de contracción
�� % = 46.38�� % + 43.53
�� % + 46.38− 43.53
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Caracterización de expansividad:Superficie específica
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Es la relación entre la superficie de una partícula (m2) y su masa (gr)
Mide el grado de aglomeración de paquetes de hojas de arcilla
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Medición superficie específicacon azul de metileno
Absorción total
A. metileno en exceso
(fin ensayo)
Halo celeste
Número (N)
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�� =1��
319,87��
���
⋅1
200��⋅ � ⋅ 0,5�� ⋅ ��� ⋅ ��� ⋅
1
10��
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Medición de succión (matricial y total)S
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Calibración papel filtro Preparación ensayo
Papel filtro calibrado
7 días de equilibrio higrotérmico
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Predicción del cambio de volumen en función de la succión mátrica
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La variación de relación de vacíos se calcula mediante los índices que surgen de ensayar los suelos:
• Indice de compresión respecto de presiones netas en descarga ���
• Indice de compresión respecto de la succión en descarga ���
∆� = ��� ⋅ ∆ log �� − �� + ��� ⋅ ∆ log � − ��
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Predicción del cambio de volumen en función de la succión mátrica
• Se debe medir la succión del suelo in situ
• Se debe estimar la succión del suelo a largo plazo
• Se deben medir o estimar los índices de compresión del suelo
Las dificultades para medir con precisión la succión tanto in situ como en laboratorio no favorecen la utilización de estos métodos
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Difracción por rayos X (XRD)S
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Minerales predominantes
(Ley de Bragg)
• Se ataca una muestra con rayos �
• Se cuentan las veces que se repite un ángulo dedifracción (función de los minerales presentes)
� ⋅ � = 2 ⋅ � ⋅ ��� �20
Mide la capacidad de intercambio de iones que presentan las partículas de arcilla al hidratarse
Capacidad de intercambio catiónico (CEC)
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Cationes intercambiables
Clasificación s/Pearring – Holt(Cation Exchange Activity)
���� =���
��21
Mide el cambio volumétrico de una muestra indisturbada al pasar del estado húmedo al seco
Coeficiente lineal de extensión (COLE)S
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��� Peso unitario seco a horno (succión 1000 MPa)
��� Peso unitario seco a 33 kPa de succión
���� =∆�
∆��=
���
���
�.��
− 1
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Preparación muestra Ensayo
Mide el potencial de hinchamiento que experimenta una muestra parcialmente saturada por hidratación, bajo una sobrecarga de 6kPa
Ensayo de expansión libre
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Ensayo de expansión libreS
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1 día
Fin hinchamiento primario
Índice de expansión del ensayo y corregido al 50% (ASTM D4829)
�� =∆�
��× 1000
���� = �� −
50 − �� ×65 + ��
220 − ��
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Ensayo de expansión libre
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Ensayo de expansión libre
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
0 12 24 36 48 60 72
Horas
Expa
nsió
n
Presión de hinchamiento en edómetroS
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Deformación uniaxial por ingreso de agua libre
Medición directa del potencial expansivo del terreno
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Presión de hinchamiento con doble edómetro
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Prueba CBR (California Bearing Ratio)
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Preparación muestra Ensayo (ASTM D1883)
Se mide el hinchamiento durante 96hs, bajo una sobrecarga de diseño
Se efectúa un ensayo de penetración con pistón normalizado hasta alcanzar 12.7mm de recorrido
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Prueba CBR (California Bearing Ratio)
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Generalmente se informa el valor CBR para 2.54mm de penetración
0.0%
0.4%
0.8%
1.2%
1.6%
2.0%
2.4%
2.8%
3.2%
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
e (%)
tiempo (hs)
CURVA DE EXPANSIÓN - C1 0.20-1.20m
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
s1 (MPa)
d [mm]
CURVA DE PENETRACIÓN - C1 0.20-1.20m
CBR = 4
��� =��.����
6.9���⋅ 100
��� =��.����
10.3���⋅ 100
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Índice
• Suelos “especiales”
• Suelos expansivos
• Suelos colapsables
• ¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?
• Suelos crióticos
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Estructura de suelos colapsablesy mecanismo de colapso
Baja plasticidad (poca actividad electroquímica)
Bajo grado de saturación (hay tensión capilar)
Muy bajo peso unitario seco (alta relación de vacíos)
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Estructura de suelos colapsablesy mecanismo de colapso
El agua rompe los puentes cementantes entre partículas
Las partículas caen a una posición más estable
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Un ensayo de campo
• Ensayo 1
– carga
– inundación
• Ensayo 2, 3 Y 4
– inundación
– carga
– inundación
• Asentamientos finales
– colapso (B) / no colapso (A) > 7
– distintos colapsos (L-F-I): 1.4
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Ensayo de colapsabilidad
Esta recta no depende de P3-Imbibición
4-Colapso primario
5-Colapso secundario
1-Carga inicial P
2-Saturación
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Suelos colapsables: ensayo UNCOR
1-Carga inicial 2-Saturación 3-Incremento de carga
4-Otros incrementos
5-Se miden las pendientes
Retoma el comportamiento del mat. intalterado
log /
log /
x
t x y x
y x
t t
t t
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Suelos colapsables: ensayo UNCOR
Humedad natural
PfnPfs
Potencialmente colapsables
Auto colapsables
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Medidas de diseño para suelos colapsables
• Retiro y recolocación
• Compactación in situ
• Inundación
• Fundaciones indirectas
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Índice
• Suelos “especiales”
• Suelos expansivos
• Suelos colapsables
• ¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?
• Suelos crióticos
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¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?
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¿Cómo distinguir suelosexpansivos 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 �� > 50, ���� ≪ ��
• Colapsable �� < 35, ���� ≅ ��
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Índice
• Suelos “especiales”
• Suelos expansivos
• Suelos colapsables
• ¿Cómo distinguir suelos expansivos de colapsables?
• Suelos crióticos
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Características de suelos crióticosS
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Características de suelos crióticos
(MIT 1981)
Agua continuamente descongelada
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Trumpet curve
(Lachembarch 1973)
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Efecto de cuerpos de agua en suelos crióticos
Los cuerpos de agua son grandes reservorios de calor que establecen un equilibrio dinámico con el Permafrost
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(Andersland y Ladanyi 2004)
Termosifones
Los termosifones se emplean rutinariamente en regiones frías para mantener el terreno permanentemente congelado
• Máquinas térmicas (intercambian calor)
• Funcionan en el ámbitode un campo gravitacional
• Naturales-Forzados
• De una o dos fases
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(Mc Fadden 2001)
Termosifones
Los termosifones se emplean rutinariamente en regiones frías para mantener el terreno permanentemente congelado
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(Bellazeroff - Siberian State Railway University)
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Vivienda en Dawson City, NT Hangar aeronáutico, Inuvik, NT
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Termosifones
• Temperatura media anual: 268ºK = -5 ºC
• Temperatura media del suelo: 270ºK = -3ºC
• Toma agua del Lago Boeckella (prof. 4m)
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(J. G. Bockheim 2004)
El problema del lago Boeckella en la Base Esperanza (Tesis F. Arroyo)
Falla de costa Lago Boeckella
Enero 2002
• Colapso de 32m. de la cuenca natural
• Disminución brusca del nivel del lago
• Desabastecimiento de agua potable
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Enero 2002
• Colapso de 32m. de la cuenca natural
• Disminución brusca del nivel del lago
• Formación de un domo de congelamiento (Pingo)
Falla de costa Lago Boeckella
(Fotografía Base Esperanza)
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(Washburn y Mackay)
Falla de costa Lago Boeckella
Construcción de un dique
• Se rellenó el sector con áridos (continentales)
• Se construyó un dique de hormigón
• Se colocaron termosifones para congelar los áridos y evitar filtraciones
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(Fotografía Base Esperanza)
54(Fotografía Base Esperanza)
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Termosifones en dique Boeckella
55
0 1 107
2 107
3 107
4 107
240
251.667
263.333
275
286.667
298.333
310
Temperatura del suelo - Profundidad constante
Tiempo
Tem
pera
tura
t 0day
z = 0.0m
z = 1.0m
z = 2.8m
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Trumpet curve en el Lago Boeckella
56
260 280 300
0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Perfil de temperaturas del suelo
Temperatura
Pro
fundid
ad
TminimaTmaxima
273ºK =0ºC
Tmedia
Tinstantanea
Capa activa2.8m
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Trumpet curve en el Lago Boeckella
Termosifones en dique Boeckella
El calor de extracción requerido depende del escenario
• Sin flujo de agua pasante (difusión)
• Con flujo de agua pasante (convección)
• Con una geomembrana temporaria (flujo controlado)
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Patología remanente
Si no se instala una geomembrana (de acción temporaria), el transporte advectivo de calor es demasiado potente para que los termosifones logren el congelamiento del terreno
• Filtraciones
• Ampliación de la zona de Talik
• Pérdida de apoyo del dique
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Bibliografía
Básica
• Jiménez Salas y otros. Geotecnia y Cimientos. Ed. Rueda
Complementaria
• Mitchell. Fundamentals of soil behavior. Wiley.
• Redolfi. Pilotes en suelos colapsables. Tesis CEDEX
• Arroyo. Comportamiento de suelos crióticos. Tesis FIUBASue
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